Ke Daftar Isi
PENELITIAN PERBANDINGAN ANALISA (SEMI KWANTITATIP) BIJIH URANIUM DENGAN METODA-METODA KIMIA, FLUORESENSI DAN SPEKTROMETRI SINAR GAMMA. Oleh Soedyartomo BATAN - PUSAT PENELITIAN GAMA ABSTRAK. Dilakukan percobaan-percobaan metoda analisa semi kwantitatip terhadap berbagai macam bijih uranium. Metoda-metoda analisa yang dicoba meliputi metoda-metoda kimia, fluoresensi dan spektrometri sinar gamma. Pada percobaan dengan metoda kimia dipilih pereaksi yang dianggap baik, mudah diperoh:h dan dapat dikembangkan untuk pereaksi analisa kolorimctri dan spektrofotometri. Berbagai modifikasi metoda fluoresensi juga dicoba, Terlihat bahwa kemampuan metoda-metoda tersebut sangat dipengaruhi oleh perlakuan-perlakuan kimia pendahuluan yang harus dikerjakan. Oleh sebab itu dicoba metoda spektrometri sinar gamma, menggunakan sintilator kristal NaI dan penganalisa radiasi. Dapat disimpulkan bahwa metoda spektrometri sinar gamma lebih memuaskan walaupun membutuhkan perlengkapan yang lebih rumit dan mahal. PENDAHULUAN. Dalam suatu program tenaga atom terlihat sangat penting artinya pengadaan uranium. Oleh sebab itu menjadi penting pula artinya analisa uranium dalam suatu bijih Kebutuhan manusia akan uranium sedemikian rupa sehingga bijih-bijih yang mengandung uranium dengan kadar lebih kecil dari l(satu) % juga diolah, dan bijih-bijih inipun disebut bijih uranium. Scbagai akibatnya haruslah dikembangkan metoda analisa . uranium yang sangat peka. Sudah barang tentu untukkeperluan-keperluan rutin me~toda tersebut juga harus bersifat mudah, cepat dan murah. Tidak bisa dihindari justru analisa rutinlah yang akan sangat penting artinya pad a pengolahan bijih uranium. Metoda-metoda analisa uranium sudah lama dipelajari, diteliti dan dikembangkan orang. Banyak sekali publikasi-publikasi dalam bidang terse but yang telah diterbitkan, meliputi metoda-metoda kimia, kimia fisika dan fisika. Metoda-metoda tersebut mempunyai keunggulan-keunggulan khusus untuk keperluan-keperluan tertentu. Dalam kertas karya ini diuraikan secara singkat metoda-metoda yang mempunyai keunggulan-keunggulan dalam analisa rutin yang bersifat semikwantitatip dan juga dilakukan percobaan-percobaan terhadap metoda-metoda tersebut: Percobaan-percobaan terhadap metoda-metoda meliputi kepekaan, pengaruh gangguan dan beberapa modifikasi yang dimaksudkan untuk memperbesar kemampuan metoda. Hasil-hasil percobaan ditinjau dan dibandingkan. 1. ANALISA DENGAN METODA KIMIA. Berdasarkan sifat-sifat kimianya (reaksi-reaksi pembentukan warna dan pengendapan), uranium dapat dianalisa dengan metoda-metoda kimia. Banyak sekali pereaksi-pereaksi yang telah pernah dipakai, dapat bersifat kwalitatip dan atau kwantitatip. Dari banyak hasil-hasil percobaan yang telah dipublikasikan terlihat adanya kecenderungan untuk mengembangkan metoda-metoda menggunakan pereaksi-pereaksi kimia dengan kepe. kaan yang semakin tinggi. Oleh karena itu walaupun metoda-metoda gravimetri dan volumetri juga dikembangkan analisa yang bersifat kwantitatip hanya + 10-2%, metoda-. metoda tersebut mulai dan atau telah ditinggalkan. Kemudian berkembanglah metodametoda yang menggunakan sifat-sifat fisika untuk penentuan kwantitatipnya, tetapi masih tetap diperlukan pereaksi-pereaksi kimia karena sifat-sifat fisika diukur untuk senya-
19
wa-senyawa uranium tertentu.
Metoda-metoda semacam ini dapat disebut metoda-meto-
]~mlr
~il~
~~ tlm/J rmtl mm1lJrJlWJ ~~lJm~mri, mm~mmtrmmilllWi tmmimmnJ speKtrofotometri telah pernah dicoba orang untuk analisa uranium. Selanjutnya hanya akan dibicarakan pereaksi kimia yang dapat dipakai pad a metoda kolorimetri/spektrofotometri karena dianggap sesuai untuk keperluan analisa rutin (lebih mudah, cepat dan kepekaan analisa yang masih bersifat kwantitatip :!: lO-5%). Sedangkan metoda fluorimetri akan dibicarakan kemudian. Pada analisa dengan metoda kimia selalu dibutuhkan cuplikan dalam bentuk larutan. Oleh sebab itu persoalan pertama adalah pembuatan c.uplikan larutan uranium dariL bijih. Kesulitan dalam persoalan ini adalah tidak samanya senyawa-senyawa kimia pada mineral-mineral (bijih) yang mengandung uranium. Sehingga untuk tiap-tiap macam bijih diperlukan metoda pelarutan yang berbeda. Walaupun demikian dari percobaan-percobaan yang dikerjakan metoda pelarutan yang berikut dapat dianggap cukup kwantita tip untuk berbagai macam bijih uranium. I. 2. 3. 4.
5. 6.
7.
Bijih ditumbuk, kemudian digerus sampai halus (seperti tepup.g). Dibagi menjadi beberapa bagian, masing-masing 500 mg. Tiap-tiap bagian gerusan dipanggang sampai temperatur 6000C selama 1,5 jam, kemudian dibiarkan mendingin sampai temperatur kamar (untuk merusakkan zat-zat organik yang dapat mengganggu pelarutan.) Tiap-tiap bagian hasil panggangan masing-masing digerus lagi sampai kembali halus seperti tepung. Kepada tiap-tiap bagian gerusan yang telah dipanggang terse but ditambahkan 20 ml HF pekat dan 20 ml HN03 pekat didalam tabung gelas bervolum :!: 150 ml yang berdinding tebal dan tertutup lengkap dengan pengaduk listrik (tabung gelas lengkap dengan pengaduk dibuat sendiri). Panaskan tabung gelas yang berisi campuran tersebut dengan pemanas air dan diad uk selama 1,5 jam. Kemudian tuangkan campuran tersebut kedalam cawan porselin, juga bilasan dari tabung gelas tersebut dengan 20 ml air suling. Panaskan cawan beserta isinya diatas kompor listrik sampai kering dan tidak berasap. Biarkan mendingin sampai temperatur kamar. Larutkan residu dalam cawan dengan 10 ml larutan HN03 pekat, kemudian tambahkan 55 ml air suling. Larutan disaring dicuci berkali-kali dengan larutan HN03 I % yang volum totalnya 35 m!. Tapisan sebanyak :!: 100 ml kemudian dipakai sebagai cuplikan.
Sudah barang tentu larutan cuplikan ini masih bercampur dengan kation-kation lain yang akan mengganggu pada analisa penetapan uranium. Semua metoda analisa yang menggunakan pereaksi-pereaksi kimia selalu diganggu oleh adanya ion-ion logam tcrtentu yang bersifat khusus untuk percaksi-pereaksi tertentu. J elas bahwa diperlukan isolasi terhadap ion-ion logam, makin baik apabila dapat terisolasi dari scmua ion logam yang ada. Telah banyak metoda-metoda isolasi yang dicoba dan dikembangkan. Metoda yang sederhana. mudah, cepat, ekonomis dan cukup bersih adalah isolasi dengan extraksi pelarut. Pada umumnya kecffisien distribusi uranium pada berbagai sistem extraksi pelarut tersebut belum cukup besar sehingga belum cukup kwantitatip. Dapat dibuat kwantitatip dengan pengaturan faktor-faktor yang mcmpengaruhi besarnya koeffisien distribusi yaitu konsentrasi-konsentrasi uranium itu sendiri, asam, anion, yang sejenis, anion-anion dan kation-kation lainnya, juga temperatur dan waktu kesetimbangan serta macam dan konsentrasi extraktan dan kalau ada pelarut lain (medium) yang ditam bahkan. Banyak hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan dalam hal metoda pengaturan faktor-faktor terse but sehingga diperoleh koeffisien distribusi uranium yang sang at besar. Tetapi terlihat bahwa metoda-metoda tersebut masih cukup rumit untuk keperluan analisa rutin. Oleh sebab itu dalam percobaan yang' dilakukan, extraksi dibuat kwantitatip. dengan metoda extraksi kontinyu, menggunakan alat yang dibuat sendiri seperti terlihat pada gambar I. 20
Gambar I.
1.
Larutan cuplikan :!::. 100 ml dimasukkan dalam tabung gclas II
2.
Dipakai extraktan dietil-eter 100 ml dimasukkan dalam labu didih 1.
3.
Labu didih dipanaskan dengan pemanas air sampai tajadi extraksi kontinyu pada tabung II.
4.
Extraksi dikerjakan selama 1,5 jam. Setelah akhir extraksi dapat dianggap uranium secara kwantitatip terambil oleh dietil eter.
(larutan cuplikan}.
I.
(dietil eter)
Walaupun mungkin koeffisien distribusi uranium pad a sistem tersebut tidak begitu besar, tetapi karena extraksi kontinyu dan sctiap kali ·dietil-eter yang berkontak adalah mumi, maka setelah akhir cxtraksi dapat dianggap uranium secara kwantitatip terambil oleh dietil-eter. Extraktan dictil-eter bcrsifat sangat selektif schingga logam-Iogam lain tidak akan ikut terambil pad a extraksi tcrsebut. Uranium harus dikembalikan dalam bcntuk larutan air karena kebanyakan metodametoda kimia mutlak memerlukan air sebagai pelarutnya. Oleh sebab itu kcmudian dilakukan extraksi kcmbali tcrhadap uranium dalam dietil-eter dengan air suling. Metoda extraksi yang dipakai juga extraksi dengan sistem kontinyu agar uranium terambH secara kwantitatip. Untuk keperluan ini digunakan alat yang dibuat sendiri seperti ter~ihat pada gambar-2. 21
1.
Larutan uranium dalam dietil-eter + 100 011 dimasukkan dalam tabung H.
2.
Air suling 100 ml dimasukkan dalam labu didih I.
3.
Labu didih dipanaskan dengan pemanas listrik sampai terjadi extraksi kontinyu.
4.
Extraksi dikerjakan selama 1 jam.
II.
I.
(larutan uranium dalam dietel eter)
(air suling).
Larutan uranium dalam air hasil extraksi inilah yang kemudian dianalisa dengan metoda-metoda kimia.
o
Pereaksi-pereaksi kimia yang dipergunakan pada umumnya akan bertambah kemampuannya apabila dipakai metoda kolorimetri/spektrofotometri. Pereaksi-pereaksi pengendapan pada metoda gravimetri yang menimbulkan warna apabila bersenyawa dengan uranium (misalnya: hidroksida-hidroksida alkali dan amonium, oksin, dU) dapat dipergunakan sebagai pereaksi warna. Dalam hal ini kepekaan yang bersifat kwantitatip akan sangat bertambah, sudah barang tentu hanya dapat dipergunakan apabila konsentrasi, baik pereaksi maupun uranium, cukup kecil sehingga tidak terjadi pengendapan, Pereaksi-pereaksi lain yang juga menimbulkan warna tetapi bukan pereaksi pengendapan pada analisa gravimetri telah ban yak diteliti dan dikembangkan, pada umumnya pereaksi-pereaksi ini adalah senyawa-senyawa organik (misalnya: senyawa-senyawa salisilat, asam askorbat, cacoteline, asam chromotropat dl1.). Pereaksi-pereaksi semacam ini yang bukan senyawa organik juga ada misalnya: K4 [Fe(CN)6]' tiosianat dU. Dari bacaan pustaka dan percobaan-percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa pereaksi warn a K4[Fe(CN)6] sangat menguntungkan karena:
1. Mempunyai kepekaan yang sangat baik. 2. Dengan pengaturan kondisi pH, konsentrasi pereaksi dan waktu bisa didapatkan warna yang cukup stabil. 3. Ion-ion lain yang mengganggu dapat dihilangkan dengan cara isolasi seperti tersebut dia tas . . 4 Pereaksi mudah diperoleh dan relatip tidak mahal. 22
Pereaksi ini mempunyai sifat-sifat yang tidak menguntungkan
yaitu:
1. Pembentukan warna dipengaruhi oleh pH, sehingga perlu penambahan larutan buffer (tetapi hal ini juga berlaku untuk hampir semua pereaksi warna). Warna akan baik pada pH = 5. 2. Pembentukan warna juga dipengaruhi oleh konsentrasi pereaksi, sehingga harus selalu dipakai pereaksi yang baru dibuat dengan konsentrasi tertentu (juga hal ini berlaku untuk hampir semua pereaksi warna). Konsentrasi pereaksi harus sedemikian sehingga hanya terjadi warna dan tidak terjadi pengendapan. 3. Perlu ditentukan selang waktu tertentu pada saat mana warna stabil.
Pada percobaan pendahuluan yang dilakukan pada pH = 5, menggunakan larutan buffer Na-asetat dan asam asetat, dengan konsentrasi K.d Fe( CN)6] 3% sebanyak 0,5 ml, warna akan stabil setelah 15 menit sampai ± 24 jam. Sedangkan konsentrasi uranium dari larutan standar yang dapat diamati secara kwantitatip mulai dari 0,5 x 10-2 gram/ce, grafik rapat optis vs konsentrasi uranium berbentuk garis lurus. Percobaan dikeriakan dengan alat kolorimeter type Du-Bosq (KLETTOP READER MEG ~o, New Y
1. Ambil 4 ml larutan uranium dalam air hasil extraksi kedua, masukkan tabung kolorimetri.
kedalam
2. Tambahkan HN03 pekat at au NH40H pekat sedemikian hingga pH = 5 (diukur dengan pH meter). 3. Tambahkan 1 ml larutan buffer Na-asetat dan asam asetat yang mempunyai pH= 4,99 (dibuat dengan mencampur 3 ml larutan 0,2 N asam asetat dan 7 ml larutan 0,2 N Na-asetat 4. fambahkan dibiarkan 0,5 ml larutan 3%. pembacaan .skala kolorimeter 5. Campuran selama K4[Fe(CN)6] 15 menit, aiamati warna yang sarna dengan larutan standar. Kemudian dihitung konsentrasi uranium dalam euplikan dengan rumus sbh.:
untuk
: Konsentrasi uranium dalam cuplikan. Pembacaan skala kolorimeter untuk larutan cuplikan. Pembacaan skala kolorimeter untuk larutan standar. Konsentrasi uranium dalam larutan standar.
Dengan ·metoda analisa seperti tersebut diatas dilakukan penentuan konsentrasi uranium dari berbagai macam cuplikan bijih uranium yang telah diketahui konsentrasinya (Reference sample low grade uranium ore dari I. A. E. A.), dan juga sebuah cuplikan bijih uranium kadar rendah yang tak dikenal. DaTi hasH-hasH percobaan dapat diketahui kemampuan metoda anaIisa tersebut Data-data percobaan adalah sebagai berikut: 23
25. 3. 4.
Torbernite berKETERANGAN 0.381 ber% IX 0.265% II I Carnotite 0.399% Tidak dikenal CUPLIKAN Ii HASIL Uraninite I berasal II.A.E.A. KONSENTRASI URANIUM RAT A-RATA HASIL PERCOBAAN SI0.250% 0.338% 0.354% 0.302% 0.028% 0.318% S3 lia. S4 S2 KODE
--
II.
ANA LISA DENGAN METODA FLUORESENSI.
Sudah lan:a diketahui bahwa apabila uranium' dikenai sinar ultra violet akan timh~l fluoresensi. Sifat i"ni cukup peka dan akan sangat peka apabil<J senyawa uranium (terutama uranil) yang dikenai sinar ultra violet terse but dIm. bentuk leburan dengan garam-garam alkali fluorida (terutama NaF) atau borax. Intensitas fluorcsensi , ternyata berbanding lurus dengan konsentrasi uranium dalam daerah konsentrasi uranium yang cukup luas. Oleh scbab itu sangatlah mcnguntungkan apabila sifat ini dapat dipakai sebagai metoda analisa. Analisa uranium dengan metoda fluoresensi (= fluorimetri, menggunakan alat fluorometer) telah lama dikembangkan dan telah banyak hasil-hasil penelitian dalam bidang ini dipublikasikan. Dapat diketahuikepekaan mdoda ini sampai 10-11 gram uranium. Pcngganggu dari metoda ini adalah adanya ion-ion logam lain, yang pacta umumnya akan meredam intensitas fluoresensi. Peredam-peredam tersebut pada umumnya adalah: Fe, Cr, Cu, Ca dan Si. Sedangkan yang jarang dan scdikit mercdam adalah: Mo, Ca, V, Zn, Ni, Sn, AI, Rb, Mg, Ti. Juga anion-anion: SO=4' cr dan PO=4 akan sedikit mcredam pada fluoresensi leburan senyawa uranium. Bebcrapa logam tanah jarang justru menambah intensitas fluoresensi, yaitu: Cohimbium, Neodynium dan Tantalum .. Tetapi perbandingan intensitas fluoresensi uranium dcngan unsur-unsur tersebut sangat kecil, sebagai contoh: 500 ugram Columbium = 0,3 'Y uranium dan 500 'Y Tantalum = 0,6 'Y uranium. Selain itu A eksitasinya berlainan dengan A eksitasi uranium, sehingga pengaruhnya tidak begitu besar. Sangat menguntungkan bahwa ternyata redaman intcnsitas fluoresensi yang disebabkan oleh peredam-peredam tidak bergantung pad a perbandingan konsentrasi peredam dan uranium tetapi hanya bergantung pada konsentrasi peredam. Sehingga untukpenentuan konsentrasi uranium dengan metoda ini bisa tanpa pemisahan terhadap. peredam, cukup dengan mengerjakan salah satu at au kedua perlakuan yang berikut: I. Cara penambahan (addition method atau spiking method). Cuplikan diukur intensitas fluoresensinya kemudian bcrulang-ulang ditambahkan uranium dengan konsentrasi yang diketahui. Diukur lagi berapa besar intensitas fluoresensi yang diamati untuk masing-masing penambah uranium. Bandingkan berapa seharusnya intensitas fluoresensi yang diamati. Sehingga akhirnya dapat diperoleh koreksi intensitasfluoresensiyang ditimbulkan ,oleh ion-ion pengganggu . . 2. Cara pengenceran (dilution method) 24
Cuplikan diencerkan sedemikian rupa sampai konsentrasi percdam scdemikian ke~ cilnya schingga redaman tidak terasa lagi. Cara ini terbatas hanya apabila perbandingan konsentrasi uranium dcngan ion-ion pengganggu tidak lebih dari 1 : 1000. Baik cara 1 maupun eara 2 hanya akan memuaskan apabila konsentrasi uranium relatip cukup bcsar. Olch scbab itu untuk analisa bijih uranium kadar rendah sebaiknya juga dilakukan isolasi terhadap peredam terlebih dahulu. Metoda pelarutan bijih dipakai metoda seperti yang disebutkan pada analisa dengan . metoda kimia. Kemudian metoda isolasinya adalah sebagai berikut: 1. Ambil 10 ml larutan uranium hasil pelarutan bijih (lihat metoda pelarutan bijih pada analisa dengan metoda kimia), masukkan kedalam tabung extraktor, yaitu" tabung gelas dengan volum 150 ml yang tertutup dan lengkap dengan pengaduk listrik. 2. Kedalam larutan uranium tersebut tambahkan 9,5 gram AI(N03)39H20. Dipanasi dengan pemanas air sambil diaduk sehingga larut semua. Pada keadaan dingin harus tetap tidak ada endapan yang terjadi. 3. Kedalam larutan tersebut kemudian ditambahkan 10mi etil-asetat, Diaduk selama 5 menit. Diamkan sampai kedua fasa terpisah sempurna. 4. Pisahkan fasa eti asetat. Larutan uranium dalam etil asetat ini dipakai sebagai cuplikan. Metoda isolasi seperti ini cukup dapat dipertanggung jawabkan karena pada kondisi terscbut etil asetat dapat mengextrak uranium secara kwantitatip. Walaupun isolasi terhadap ion-ion logam lain tidak begitu baik, tctapi karena kemudian digunakan' cara penambahan untuk penentuan konsentrasi uranium maka hasil yang diperoleh akan cukup baik. Terlihat metoda isolasi ini jauh Icbih cepat dibandin~kan dcngan metoda isolasi' menggunakan dietil-eter. Intensitas fluorescnsi dapat diukur baik pada cuplikan yang berbentuk larutan maupun padatan. Sudah diketahui bahwa dalam bcntuk padaUin akan sangat kuat intensitas fluoresensinya apabila terlebur b~rsama garam f1uorida. Garam atau eampuran garam-garam yang dilebur bersama cuplikan selanjutnya disebut pelebur (flux). Sudah banyak ditcliti dan dipublikasikan bermacam-maeam eampuran pelebur beserta sifat-sifatnya baik yang menguntungkan maupun merugikan. Berbagai maeam campuran pelebur yang tclah pernah dieoba adalah sebagai berikut: 1. Pelebur NaF murni. Keuntungan : menghasilkan kepekaan yang tertinggi. Kerugian : a. temperatur pelcburan tinggi, yaitu 992oC. b. pada tcmperatur + 900°C sedikit Pt (dipakai sebagai eawan untuk tempat pelcburan) akan larut yang kemudian menjadi peredam. c. Hasil leburan bersifat deliquesent. d. Sukar diambil dari eawan. 2. Pelebur eampuran 48,3% K2C03; 1,8% NaF. Keuntungan : a.garam-garam: Temperatur peleburan relatip 49,9% rendahNa2C03 : 600 •dan 7000C . b. Tidak ada Pt terJarut. c. Hasil leburan tidak deliquesent. d. Mudah diambil dari eawan. Kerugian
:
kepekaan lebih rendah dari pelebur I.
3. Pelebur campuran garam-garam: Sifat-sifat seperti pelebur 2..
55% Na2C03; 42,5%K2C03
dan 2,5% KF.
25
4. Pl'lcbur eampuran garam-garam: 9% NaF dan 91 % NaKCO
~~rmr
11~I~fi~lr ~ yaO ~I JUOQ mcm~ . M~]]wunYJi mJr'~ifar Yim~ mcnruntun~Klm punyai kepckaan yang tinggi. Titik lebur ~ 750°C. Pelebur jenis ini disarankan untuk dipakai.
S. Pelcbur eampuran garam-garam: 2% UF dan 98% NaF. Sifat-sifat seperti pelebur 4. Titik lebur + 850°C. Pelebur ini juga disarankan untuk dipakai. 6. Sifat-sifat Pelebur eampuran Na")C03; 45,5%lebur K2C03 dan 9% NaF. diantara garam-garam: pclebur 2 dan45,5% 4. MempWunyaititik 65UoC. Terlihat akan menguntungkan untuk analisa rutin apabila dipakai pelebur 6. Dengan menggunakan peJebur ini ditentukan konsentrasi uranium dalam euplikan menggunakan Fluorometer Turner mouel 110 lengkap. Metoda analisa yang dikerjakan adalah sebagai brikut : I. Ambil dengan mikropipet 100 A.larutan uranium dalam etil-aseta[ (hasil isolasi). Eneerkan dengan etil esetat sampai volum menjadi 50 ml. 2. Ambil dari larutan yang telah dieneerkan 500 A. dengan mikropipet. Tuangkan dalam eawan Pt khusus untuk pembuat tablet yang sesuai dengan alat Fluorometer Turner model 110. Kemudian dibiarkan sampai mengering. 3. Tambahkan kedalam cawan Pt tersebut 0,5 gram eampuran 45,5% Na2C03 + 45,5% K2C03 + 9% NaF yang tclah dilebur pada temperatur 650°C selama 25 menit dan ditumbuk halus. Cawan beserta isinya kemuuian dilebur pada temperatur 650°C selama 25 menit. 4. Setelah eawan mendingin hasil leburan diambil, berbentuk tablet uranium yang siap untuk dia mati intensitas Ouoresensinya pada fluorometer. 5. Keljakan perlakuan yang sarna untuk masing-maiing cuplikan bijih uranium dan untuk tablet standar. Juga terhadap cuplikan dengan penambahan uranium yang telah diketahui konsentrasinya. 6. Pada pembaeaan fluorometer gunakan eelah dan filter yang sesuai. Hasil-hasil pembacaan cuplikan dibandingkan dengan tablet-tablet standard dan tablet-tablet yang telah ditambahi uranium dengan konsentrasi te: ~ntu . Tentukan konsentrasi uranium dalam euplikan dengan menggunakan rumus-rumus yang berikut:
dan
konsentrasi uranium dalam euplikan. konsentrasi uranium dalam standar. pembacaan skala fluorometer untuk euplikan. pembaeaan skala fluorometer untuk uranium dengan konsentrasi tertentu yang ditambahkan. pembaeaan skala fluorometer untuk standar. pembaeaan skala fluorometer untuk euplikan yang telah ditambahi uranium dengan konsentrasi uranium tertentu. Diperoleh data-data perboeaan sebagai berikut: 26
--
0.040% Torbemite Torbcrnite berasal 0.273% da0KONSENTRASI .399% .265% Carnotite berasal 0.365% dari0.354% HASIL HASIL I.A.E.A. PERCOBAAN URANIUM RATA-RATA X Uraninite Tidak KETERANGAN dikenal 0.310% dari0.318% 0.388% SI 82 S3 84 KODE CUPLIKAN
2. 3. 4. 5.
III.
ANALISA DENGAN METODA SPEKTROMETRI SINAR GAMMA.
Seperti halnya sifat fluoresensi senyawa uranium, juga sudah lama diketahui bahwa uranium bersifat radioaktip. Uranium alam (bijih uranium) adalah campuran U238 dan + 0,72% U235. Baik U238 maupun U235 akan mengalami peluruhan yang dikeniii sebagai deret peluruhan alam A-4N + 2 dan A - 4N + 3. Uranium beserta radionuklida-radionuklida anaknya akan memancarkan sinar-sinar radioaktip baik alpha beta maupun gamma. Sifat radioaktip ini dapat digunakan sebagai metoda analisa baik kwalitatip maupun kwantitatip. Telah pernah dicoba orang analisa uranium dengan metoda: 1.' spektrometri sinar gamma. 2. Spektrometri sinar alpha. 3. Pengukuran radiasi sinar beta gamma. Pada uraian selanjutnya hanya akan dibicarakan analisa uranium dengan metoda spektrometri sin~1rgamma. Dasar analisa kwantitatip dari metoda ini adalah sinar gamma yang dipancarkan mempunyai kwantitas yang berbeda-beda untuk masing-masing tenaga tertentu sehingga apabila diamati cacah permenit vs tenaga akan terlihat spektrum yang berbentuk karakteristik dengan puncak-puncak tertentu (puncak-puncak tertcntu ini sangat khas untuk sesuatu radionuklida tertentu). Sedangkan analisa kwantitatip dapat dilakukan dengan membandingkan aktivitas (yang diamati cacah per menit) sesuatu cuplikan dengan cuplikan standar. Apabila diamati spektrum sinar gamma bijih uranium (uranium alam) yang dalam keadaan setimbang radioaktip akan terlihat puncak-puncak pada tenaga-tenaga dalam satuan MeV sekitar: 0,080; 0,180;0.340; 0,610; 0,760; 0,940, 1,120; 1,240; 1,380; 1,760; 2,190 dan 2,400. Puncak-puncak ini berasal dari sinar-sinar gamma yang dipencarkan oleh seluruh radionuklida yang ada pada bijih uranium tersebut (radionuklida anak). Karena U235 bijih U238 hanya beserta ±. 0,72%. bolehradionuklida dianggap b.ahwa sinar gamma hanya herasal dari dalam peluruhan seluruh anaknya. Kala\l dilihiit deret peluruhiin iiliim A - 4N be~erta ~kema peluruhan untuk masing-masing,radionuklida anak yang terbentuk akan didapatkan d~ta-data sebagai berikut:
t,
27
--- -----
s3,05 'tabil 5A hari hari ---140 hari 222 226 22 tahun 86 84 88 218 206 RaG RaA 81 82 83 RaD RaE RaF 230 238 RaB DIPANCARKAN GAMMA Z90 SIMBOL ATOM 234 LAIN' YANG 91 RaC 92 368,4 105 Ra 210 824,5 thnthn' WAKTU 10 RaC" 214 ,xPARUH RaC' Rn 0,174; 0,053 0,510 0,61; 0,447; ' SINAR 0,187 3,82 15,904thn 0,047 0,445; 0,416; 0,320 4,4 x104 109 0,534; 0,352; 0,295 0,092; 0,063 atau hari 0,803; 0,143; 0,0435 detik 2,117; 1,847; 1,764 19,7 0,803 0,045; 0,048 TENAGA 26,8 mnt 214 NOMOR UI UX1 UX2 Ull (Rn)I ~QMQ~(dalam MeV) 1,729; 1,461; 1,378; 0,609 0,029 0,259; 0,053 0,253; 0,210; 0,068 ..
II
fi~mv TIVfiwlPfi
Dari data-data tetsebut dapat difahami mengapa spektrum bijih uranium akan sangat mirip dengan spektrum Ra226 yang mempunyai puncak-puncak pada teriaga-tenaga dalam satuan MeV sekitar: 0,610; 0,770; 0,910; 1,130; 1,390; 1,760; 2,200 dan 2,430; bahkan juga mempunyai puncak-puncak pada tenaga-tenaga dalam satuan MeV sekitar: 0,340; 0,180; dan 0,080. Tetapi hal ini tidak menyulitkan hasll analisa kirena puncak-puncak yang disebut terakhir ini akan mempunyai perbandingan yang berbed a terhadap puncak-puncak lainnya (misalnya dengan puncak 0,610 MeV), pada bi~ jih uranium'danpada Ra226. Hal ini jugadapatuntuk mengetahui apakah bijih uranium berada dilaIh kesetimbangan radioaktip atau tidak. Pcrbandingan 'puncak 0.080 MeV dan 0,610 MeV pada bijih uranium yang berada d:ilam kesetimbangan radi~ aktip adalah-:!:. 13/11. Spektrum sinar gamma bijih uranium dapat diperoleh dengan, perlengkapan sebagai berikut: 1. Detektor kristal Na I (sensitip untuk sinar gamma) lengkap dengan pelipat ganda foton dan penguat. awal yang mendapatkan tegangan tinggi dari,suatu sumber tegangan tinggi. ' '• ," 2. Penganalisa radiasi, baik saluran tunggal maupun saluran ganda. 28
3, Pencacah (termasuk rangkaian penguat) lengkap dengan alat pengatur waktu. Sudah barang tentu detektor juga akan mentcksi sinar-sinar radioaktip selain sinar gamma walaupun hanya sedikit, terutama sinar beta. Hal ini akan mengacaukan gambar spektrum yang diperoleh. Oleh sebab itu pcrlu di· . gunakan suatu absorber supaya sinar beta ini tidak ikut terdeteksi. Oalam percobaan yang dilakukan dengan dctektor G.M. tangkap ujung., absorber Al dengan tcbal 1273,54 mg/cm2 (absorber no.22 buatan Technical Associates,Burbank, California) dapat menyerap hampir seluruh sinar beta. Absorber ini kemudian selalu dipakai dalam percobaan-percobaan yang dilakukan, Sclain dari pada itu juga adanya latar belakang harus diperkedl. Untuk keperluan ini, pengukuran dilakukan didalam peri-· sai timbal (Lead Shield model LC.9 serial 124 buatan Technical Associates. Burbank, California). Oleh karena Kadar uranium dalam bijih yang akan dilihat spektru.mnya sangat kedl (radiasi yang dipancarkan scdikit) maka perlu mengadakan pengamatan dalam selang waktu yang cukup lama. Pada pengamatan dengan waktu 300 detik (5 menit). mulai dapat dilihat spektrum cukup baik (menggunakan vertical sensitifity (fuII scale) 1000 cpm). Perbandingan puncak tertinggi (0,080 MeV) dengan puncak terendah (2,400 MeV) kira-kira 135 : 1, jadi untuk dapat melihat seluruh puncak-puncak haruslah diadakan pengamatan yang cukup lama (lebi.h dari 5 menit). Percobaan dilakukan dengan menggunakan alat-alat sebagi berikut: 1. Oetektor sintilator NaI buatan Intertechnique, Quartz & Silice Type 44 S 51, , NaI-TI, PM 9656 No. A 790 (lengkap dcngan pelipat ganda foton dan penguat awal), mendapat tegangan 750 Volt, dengan swith gain pada 0,1. 2. Pcnganalisa saluran ganda buatan Intertechnique, 800 lengkap.
Multichannel Analyzer Oidac
3. Mesin tik listrik I.B.M. Machine Imprimante RG-221. Setelah alat-alat tersebut dirangkai dengan benar dan~diberi tcgangan yang sesuai, kcmudian dilakukan percobaan pengukuran terhadap cuplikan-cuplikan bijih uranium yang telah digerus sehalus tepung, dilctakkan pada planchet-planchet yang sama geometrinya dan juga terbuat dari bahan yang sarna. Masing·masing cuplikan dibuat sarna berat yaitu 3 gram, dan diletakkan pad a planchet sedemikian hingga mempunyai sistem geometri yang sama. Pada keadaan ini cuplikan-cuplikanmempunyai tebal melebihi tebal maximumnya (infinetly thickness), sehingga aktivitas masing-masing cuplikan dapat dibandingkan secara relatip. Kemudian dilakukan metoda analisa sebagai berikut: 1. Hidupkan alat-alat dengan memberikan tegangan yang sesuai. Biarkan beberapa saat, dan test apakah alat sudah bekerja dengan baik. 2. Berikan tegangan kepada detektor (dari penganalisa saluran ganda) sebesar 750 Volt, pada switch high voltage. 3. Letakkan cuplikan dalam perisai timbal dengan sistem geometri tertentu yang dibuat sama setiap kali pengukuran aktivitas cuplikan yang berbeda-beda. 4. Oilakukan pengamatan terhadap seluruh saluran (800 saluran), subgroup selection pad a 800, intensification switch pada zone AB. 5. Atur gain penguat (amplifier pada penganalisa saluran ganda), sedemikian sehingga dapat diamati untuk tenaga 3200 KeV pad a saluran ke 800. Ini diperoleh dengan mengatur coarse gain switch pad a ~ dan fine gain switch pada ± 0,65. Sehingga puncak 2,430 MeV bisa terlihat. 6. Atur smitch mode pada PHA dan timed. Kemudian pada presets atur stop mode pad a time dan PHA mode time pada 300. Sehingga pengamatan akan berhenti pada selang waktu 5 menit. 7. Atur pada switch horizontal expansion pada I dan sensitivity (channels/! 0 div) pada 800. Sedangkan pada vertikal· scale switch atur pad a linear (sebetulnya bttik pada logarthmis, tetapi belum ada rangkaiannya) dan sensitivity (full scale) pada lK.
29
8. Pada 7,cro threshold atur baik coarse maupun fine switch pad a off. Sedangkan pad a window atur upper level switch pada 10 dan lower level sedemikian sehingga tidak ada bisingan (noise) yang ikut terdeteksi. 9. Untuk memudahkan pembacaan skala pada layar atur switch conversion gain chi volt pada 100. 10.Pada amplifier atur switch input untuk negatip input. 11. Atur pad a read out switch pada erase dan subgroup. 12. Pada PHA mode repetition atur switch pada single cycle. 13. Sekarang barulah tekan switch stock yang berarti mulai diadakan pengukuran. 14. Setelah pengukuran berhenti tekanlah digital mode switch pada serie A dan pad a out put tekan switch digit. Maka akan diperolch angka-angka cacah per menit pada mesin tik listrik untuk seluruh saluran (800 saluran). Gambar spektrum sinar gamma dari cuplikan yang diukur akan terlihat pada layar. Dari sini sudah dapat dilihat apakah cuplikan mengandung uranium atau tidak. Kemudian untuk perhitungan kwantitatipnya, pertama kali harus dilihat apakah bijih berada dim. kesetlmbangan radioaktip at au tidak dengan melihat perbandingan puncak 0,080 MeV dan 0,610 MeV seperti telah diuraikan dimuka. Unuk penentuan konsentrasi uranium dengan metoda ini bijih haruslah dalam keadaan kesetimbangan radioaktip. Kemudian dengan membandingkan cuplikan-cuplikan dengan cuplikan yang telah diketahui konsentrasinya dapat diketahui konsentrasi cuplikan. Perbandingan konsentrasi didapat dengan membandingkan cacah per menit dari sinar gamma yang bertenaga sarna yang dipancarkan dari cuplikan-cuplikan yang diukur. Dapat difahami bahwa lebih baik membandingkan cacah per menit dari puncak-puncak spektrum. Untuk memudahkan perhitungan cukup dirata-ratakan hasil-hasH perbandingan puncak-puncak pada tenaga 0,610 MeV, 1,120 MeV dan 1,760 MeV saja (puncak-puncak ini paling mudah diamati dan sangat menonjol dibandingkan puncak-puncak yang lain). Karena pcrbandingan cacah per mcnit pada tenaga yang sarna adalah juga perbandingan aktivitas relatip (karena diukur pada tebal cuplikan y~ng telah melebihi tebal maximum·) maka juga berarti perlTImdingan konsentrasi uranium pada cuplikan-cuplikan tersebut Dengan metoda ini diperolehd data-data percobaaan sebagai berikut:
---
CUPLI KAN 0.030 % Uraninite berasal dari Australia Australia Torbernite berasal dari 5panyol Carnotite U.S.A. HASIL I.A 0,318 E'A'I4ASIL PERCOBAAN KONSENTRASI RATA2 URANIUM Tidak X dikenal 0,241 0,370 0,300 % 0,354 KETERANGAN 0,399 0,399 % 0,265 54 51 53 52 No.
2.
IV.
KESIMPULAN
Apabila diadakan perbandingan terhadap metoda-metoda analisa bijih uranium yang telah diuraikan dimuka dapat dibuat kesimpulan sebagai berikut: 30
.at an. sediKlt lebih upun telah %dlsederha WaKtu yang dlperlukan untuK IMIA
METODA lebih besar mahal teoritis rumit dapat murah sederhana leblh tidaK memerluKimia. Ralat anaiisa FLUORESENSI murah murah relatif mahal METODA paling besar euKup murah kan perlaKuan Kepekaan Biaya dapat sampai lebih sederhana sing slngKat Katrumit Harga Perlengkapan PerlengKapan dapat sangat sampai rumit eukup lama bisa sangat Kimia. METODA sampai 10.9 % tak , ter- .1
SPEKTROMETRJ KETERANGAN mahal. hingga. 3. SINAR GAMMA I'
I
Oleh sebab itu dapatlah dikatakan sebagai analisa rutin terhadap bijih uranium, kalau hanya diperlukan hasilsemi kwantitatip saja sangatlah memuaskan apabila dipakai metoda spektrometri sinar gamma. Ralat yang besar dari hasil analisa dapat diperkecit dengan menggunakan detektor 4 7r dan juga dengan menyamakan self absorption, tetapi ini berarti memerlukan perlakuan kimia.
DAFTAR PUSTAKA
1.
Clegg, J.W. and Polley D.D. "Uranium Ore Processing Addison Wesley Publishing Company, Inc 1958.
2.
Rodden, Clement J "Analysis of Essential Nuclear Reactor Materials. Division of technical information. U:S. Atomic Energy Commision 1964.
3.
Reviews of Modern physics Volum 30. Number 2. Two Part II April 1958. American Institute of Physics Lancaster. PA, and New York, N.Y.
4.
Heath, R.L. ,"Scintillation Spectrometry Edition Vol 2 of IDO-16880-1. 1964.
5.
Heath; R.L. "Scintillation Spectrometry Gamma-Ray Spectrum Catalog" 2 ND Edition Vol 2 of 2 IDO-16880-2. 1964.
Gamma-Ray Spectrum Catalog" 2 ND
31
DISKUSI HARJOTO:' Saya mempunyai dua pertanyaan. Pertama, dikatakan bahwa ralat dalam cara analisa kimia mempunyai ralat yang kecil. Apakah ralat ini tidak tergantung pada konsentrasi dan methode analisa? Kedua, dalam paper Saudara dikatakan bahwa kepekaan metode spektrometri sinar gamma adalah teoritis dapat sampai tak terhingga. Apakah hal ini benar ? SOEDY ARTOMO: Pertama, memang benar ralat tergantung pada konsentrasi dan methode analisa, juga pada orang yang mcngerjakan. Ralat dalam analisa dengan methode kimia terhadap bijih uranium apabila dibandingkan dengan ralat pada analisa dengan methode-methode lainnya (fluoresensi dan spektrometer sinar gamma) pada konsentrasi yang sarna akan lebih keci!. Dalam kertas karya saya hal ini kurang dapat dilihat, tetapi dengan methode kimia yang sarna oleh analis yang berpengalaman pada tabel terlihat sangat dipcrkecil ralatnya. Pada umumnya suatu methode analisa yang mempunyai kepekaan yang tinggi akan mempunyai ralat yang besar. Kedua, memang pernyataan tersebut tidak bcrsifat mutlak, Yang dimaksudkan tak terhingga disitu dengan sendirinya masih dalam batas-batas dimana adanya emisi sinar gamma dari Cuplikan masih dapat diamati dan sudah barang tentu hal ini tergantung dari yang kita pakai, kepekaan akan sangat bertambah apabila kita pergunakan pcralatan yang memberikan latar belakang rendah, detektor dengan efisiensi yang tinggi atau juga dengan mengadakan pengamatan yang sangat lama terhadap emisi sinar gamma oleh Cuplikan. SOFJAN T.NOERSJAMSI: Pertama, pada cara analisa dengan methode kimia/kolorimetri pemilihan A dimana percobaan dilakukan? Kedua, secara teoritis berapa harga A maksimum ini?
apakah dilakukan
SOEDY ARTOMO: Pertama, saya tidak melakukan pemilihan A. karena alat yang saya pakai tidak mempergunakan filter-filter yang dapat diganti-ganti (alat sangat sederhana). Alat ini hanya menggunakan sebuah filter umum yang saya tidak ketahui berapa besar nya.Kedua, secara teoritis harga A maksimum apabila digunakan pereaksi-buku: K4 [Fe(CN)6]
dan juga pereaksi-pereaksi warna lainnya dapat saudara baca pad a buku-
Rodden, Clement Y "Analysis of Essential Nuclear Reactor Materials" U.S.A.E.C 1964. Rodden, Clement Y et al "Analytical Hiel Book Company, Inc.
Chemistry of the Manhattan Project" Mc
,F.P. SAGALA : , Pertama, berapakah besar butiran (grain sizes) yang paling baik untuk menganalisa bijih uranium (dalam Mesh) .. Kedua, dalam methode Fluorescensi, bagaimana dengan Thorium (Th), karena unsur tersebut tidak tercantum dalam paper Saudara, pad a hal unsur tersebut sering terdapat bersama bijih uranium. Ketiga, dapatkah Saudaramemberikanbesar biaya yang diperlukan untuk menga.nalisa bijih uraniummenurut, ketiga methode yang Saudara kemukakan. 32
SOEDY ARTOMO: Pertama,grain size memang berpengaruh pada analisa bijih uranium. Pada umumnya dapat dikatakan bahwa makin kecil grain size akan makin menguntungkan untuk keperluan analisa. Sayang sekali saya tidak dapat menjawab bcrapakah grain size yang paling baik untuk keperluan analisa karena belum mengadakan experiment dalam hal ini dan juga belum pernah mendapatkan data dari literature-literature. Kedua, saya belum mengetahui secara pasti pengaruh Th pada intensitas fluoresensi. Tetapi dengan melakukan isolasi U dengan cara sepcrti disebut dalam kertas karya dan kemudian mengerjakan salah satu at au kedua-duanya. Cara penambahan dan cara pengenceran bentuk gangguan Th pada intensitas fluoresensi (baik rekaman atau penguatan) sudah dapat terkoreksi. Ketiga, sayang sckali saya belum pernah menghitung berapakah biaya analisa untuk satu cuplikan pad a masing-masing methode tersebut. Tetapi jelas bahwa dapat dibandingakn biaya analisa dengan methode kimia akan paling mahal (membutuhkan perlakuan kimia yang cukup berbelit-belit) kemudian methode fluoresensi dan termurah adalah methode spektrometri sinar gamma. PRATIWI A.S.: Pertama, ekstraksi satu jam dianggap sudah melarutkan semua U. Apakah sisanya juga dicek dengan ekstraksi yang lebih lama? Kedua, perbandingan pada tabel pertama dan tabel terakhir sebelum kesimpulan tidak dapat menyimpulkan bahwa cara non destructive (analisa sinar gamma) lebih baik atau buruk. SOEDY ARTOMO: Pcrtama, pada percobaan-pcrcobaan ekstraksi y:mg lebih lama dari satu jam, memberikan hasH harga konsentrasi U yang sama, sehingga dapat dianggap ekstraksi I jam sudah kwantitatip. Kedua, dengan methode yang sama, seorang analiser yang berpengalaman dapat memperoleh ralat yang lebih kecil daripada dalam tabel. Selain itu penentuan lebih baik atau buruknya tidak hanya dipandang dari segi ralatnya saja, tetapi juga hal-hal seperti tersebut dalam halaman terakhir. SUTARYO SUPADI: Pertama, pad a methode-methode fluoresensi dan spektrometri sinar gamma hasH-hasH yang saudara dapat lebih besar atau lebih kecil dari harga-harga reference. Tetapi pada methode kimia hasH-hasH Saudara selalu 5 -6% dibawah harga referen- . ceo Apakah ini inherent dari methode analisa kimia atau soal lain? Kedua, bagaimana pendapat Saudara tentang analisa bijih uranium dengan cara "delayed neutron technique" dibanding dengan cara-cara yang saudara sebut tadi? SOEDY ARTOMO: Pertama, sebenarnya setiap methode analisa yang memerlukan suatu perlakuan kimia' selalu akan memberikan hasil yang lebih rendah dari harga yang sebenarnya. Hal ini disebabkan tidak ada proses kimia yang bersifat kwantitatip 100%, walaupun sclalu diadakan usaha-usaha pendekatan semaximal mungkin. Tetapi dalam hal harga-harga reference yang dibcrikan oleh I.A.E.A. harga I tcrscbut juga ditentukan dengan metoda-metoda kimia, sehingga seharusnya bisa diperoleh harga yang tepat. Menurut pendapat saya adanya hasil-hasil analisa- metoda kimia yaag saya lakukan selalu lebih kecil dari harga sebenarnya disebabkan adanya pendekatan-pendekatan kearah kwantitatip 100% kurang berhasil terutama pada . sistem pelarutan bijih. Oleh sebab itu sebenarnya harga-harga pad a metoda fIuore33
sensl Juga akan selalu lebih kccil, tetapi karcna metoda ini mempunyai ralat yang lcbih bcsar (scbab pcrlakuan-perlakuan kimia yang dikerjakan pada metoda ini !crpaksa !erhaJap konscn!ta~i-k6~~JAlmi m~~ium ~nn~ louill [Q[iI) /lUll ju~]oil peroleh harga-harga yang lebih besar dan harga-harga reference. Saya berpendapat bahwa harga-harga pada metoda-metoda kimia dan fluorecensi akan dapat lebih kedl ralatnya seandainya dikerjakan oleh seorang analis yang berpcngalaman walaupun mcnggunakan metoda yang sama. Kedua, sayang sekali saya tidak bisa memberikan jawaban yang mcmuaskan untuk pertanyaan-pertanyaan no.2 ini karena saya belum begitu ban yak tahu tentang "delayed neutron technique", juga sarna sekali belum pernah memikirkan expenmen dengan metoda ini.
Ke Daftar Isi
34·
