Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), ISSN 1410-9565 Volume 13 Nomor 1 Juni 2010 (Volume 13, Number 1, June, 2010) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (Radioactive Waste Technology Center)
INTERAKSI RADIOCESIUM DENGAN HOST ROCK DIBAWAH PENGARUH pH dan KEKUATAN ION LARUTAN Budi Setiawan Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN Kawasan PUSPIPTEK, Serpong-Tangerang 15310 ABSTRAK INTERAKSI RADIOCESIUM DENGAN HOST ROCK DIBAWAH PENGARUH pH dan KEKUATAN ION LARUTAN. Telah dilakukan penelitian tentang interaksi radiocesium dengan host rock pada kondisi pH dan kekuatan larutan yang bervariasi. Identifikasi keandalan suatu host rock dari suatu calon wilayah untuk fasilitas penyimpanan akhir limbah radioaktif perlu diperoleh. Tujuan dari kegiatan ini adalah untuk mendapatkan data spesifik karakter sorpsi-desorpsi radiocesium ke dalam batuan host rock dari calon wilayah untuk fasilitas penyimpanan akhir limbah radioaktif. Kondisi larutan/air tanah seperti pH dan kekuatan ion larutan dipertimbangkan akan berpengaruh pada interaksi radiocesium-batuan, untuk itu cara catu diadopsi pada percobaan ini. Sampel percobaan diambil secara periodik, ditentukan dan dihitung koefisien distribusinya/Kd. Variasi pH dan kekuatan ion di larutan diperkirakan akan berpengaruh pada nilai Kd. Hasil menunjukkan bahwa perubahan pH larutan tidak berpengaruh terhadap nilai Kd radiocesium karena kuatnya sifat buffer dari batuan host rock. Berubahnya kekuatan ion larutan memberikan pengaruh pada nilai Kd radiocesium, kompetisi antara ion garam latar dengan cesium menyebabkan terjadinya penurunan nilai Kd radiocesium ke host rock. Kata kunci : Radiocesium, host rock, pH, I ABSTRACT INTERACTION OF RADIOCESIUM WITH HOST ROCK UNDER THE EFFECTS OF pH AND IONIC STRENGTH OF SOLUTION. Experiments of radiocesium interaction with host rock under the variation of pH and I of solution conditions have been done. Reliability identification of a host rock was taken out from a candidate of potentially area for a radwaste disposal was important to be obtained. Objective of the experiment is to find out specific data of sorption-desorption of radiocesium onto host rock from a candidate of potentially area for a radwaste disposal. Solution/groundwater conditions such as pH and I of solution were considered will affect to radiocesium-rock interaction, for that reason batch method was adopted on the experiments. Sample was taken out periodically, measured and then calculated their distribution coefficients/Kd. Variation of pH and I of solution are predicted affect to Kd values. Results showed that pH changing in solution did not effect to Kd values due to buffer character of host rock was strong. However changing of I in solution affects on Kd value, completion between background salt ion with cesium made decreasing of Kd value of radiocesium to host rock. Keywords : Radiocesium, host rock, pH, I PENDAHULUAN Penyimpanan akhir limbah radioaktif (PA-LRA) merupakan bagian ujung akhir (back-end) dari sistem siklus bahan bakar nuklir (nuclear fuel cycle) maupun pengelolaan limbah radioaktif (radwaste management). Limbah-limbah yang selesai diolah dapat berwujud kemasan drum 200 L maupun shell beton dengan ukuran yang bervariasi akan disimpan secara lestari pada suatu fasilitas PA-LRA. Badan tenaga atom dunia (International atomic energy agency/IAEA) telah merekomendasikan kepada seluruh anggotanya agar menimbun limbah-limbah radioaktif yang beraras rendah (low-level waste/LLW) ke dalam fasilitas PA-LRA jenis dekat permukaan (near surface disposal facility) dengan kedalaman beberapa meter sampai puluhan meter [1]. Limbah radioaktif ini harus dikelola dengan baik dan benar agar tidak membahayakan lingkungan dan menjamin keselamatan serta tidak membebani masyarakat dan lingkungan hidup baik untuk masa sekarang maupun yang akan datang. Untuk alasan seperti itu, biasanya pada fasilitas PA-LRA digunakan suatu sistem keselamatan yang berlapis untuk meminimalisir kemungkinan adanya dampak sebaran radionuklida dari fasilitas ke lingkungan yang diwujudkan sebagai suatu sistem penghalang yang terintergrasi: penghalang buatan dan penghalang alami [2,3]. Penghalang buatan adalah sistem penghalang yang dibuat oleh manusia yang dimaksudkan untuk memperkuat/memperbaiki kemampuan sistem penghalang yang telah ada di alam atau lingkungan tempat fasilitas PA-LRA berada. Host rock dari PA-LRA merupakan sistem penghalang 43
Budi Setiawan : Interaksi Radiocesium dengan Host Rock di Bawah Pengaruh Ph dan Kekuatan Ion Larutan
alami yang juga merupakan penghalang terakhir kemungkinan penyebaran kontaminan ke lingkungan akan berperan mengontrol aliran air tanah menuju fasilitas dan menghambat kemungkinan adanya penyebaran radionuklida atau kontaminan dari suatu fasilitas PA-LRA ke lingkungan hidup. Air tanah dikenal sebagai media pengemban (carrier) bagi penyebaran unsur hara yang sangat dibutuhkan oleh tanaman, ion logam maupun kontaminan baik yang bersifat radioaktif maupun non-radioaktif. Radionuklida terlarut dari fasilitas PA-LRA yang berhasil lepas ke air tanah kemudian bersama-sama dengan aliran air tanah menuju ke biosfer. Selama bergerak bersama air tanah radionuklida akan berinteraksi dan bereaksi dengan tanah/batuan host rock di sepanjang pathway yang dilaluinya. Tanah dan batuan sebagai host rock yang ada disepanjang pathway akan berperan penting untuk menahan dan memperlambat mobilitas radionuklida bersama air tanah melalui mekanisme sorpsi. Sebagian konsentrasi radionuklida diperkirakan akan terserap oleh tanah/batuan karena adanya interaksi tersebut, sehingga parameter-parameter yang berpengaruh dengan sifat air tanah seperti kondisi keasaman/pH dan kekuatan ion/I larutan perlu dipelajari. Keasaman air tanah akan berpengaruh pada perubahan spesiasi ion logam/radionuklida yang ada di larutan sehingga diperkirakan akan merubah nilai Kd dari radionuklida ke padatan/host rock. Sorpsi radionuklida dari larutan ke host rock juga akan tergantung pada besarnya konsentrasi garam latar dari larutan [4-6]. Radionuklida cesium/Cs-137 digunakan sebagai model ion logam karena radionuklida tersebut merupakan radionuklida yang mendominasi inventori limbah radioaktif beraras rendah dan sedang bahkan tinggi, kemudian mempunyai waktu paro panjang (t1/2 ~30 tahun) dan merupakan radionuklida acuan (selain Sr-90 dan Co-60) dalam penelitian interaksi RN aras rendah dengan batuan [7]. Hasil akhir yang akan diperoleh dari percobaan ini adalah tersedianya informasi pengaruh kondisi larutan seperti pH dan I larutan terhadap interaksi radionuklida-host rock, kemudian dari sini akan dapat diketahui karakter sorpsi radionuklida oleh tanah/batuan host rock pada bermacam kondisi yang dapat mempengaruhi proses sorpsi. Informasi ini selanjutnya dapat digunakan untuk mendukung kegiatan pengkajian keselamatan fasilitas penyimpanan limbah, dan hasilnya dapat digunakan pada pembuatan konsep disain penyimpanan limbah di masa yang akan datang. TATA KERJA Bahan dan Peralatan Sampel host rock diambil dari beberapa lokasi di daerah Tuban-Jawa Timur. Sebelum dipreparasi, sampel dibersihkan terlebih dahulu dari kotoran (batu, akar, daun), dipanaskan dengan oven, digerus, diayak menjadi 100 mesh dan dikeringkan kembali di udara terbuka. Padatan/sampel yang dihasilkan itu kemudian disimpan dalam wadah plastik dan siap untuk di gunakan dalam penelitian ini. Bahan kimia yang digunakan adalah CsCl, NaCl, MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) dan THAM (tris(hydroxymethyl) aminomethane) 0.01M sebagai pengatur variasi keasaman larutan, sedangkan radionuklida Cs-137 digunakan sebagai pengemban. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah oven, penggerus keramik, ayakan, alat roller sebagai pencampur Cs-137 dengan sampel, Nalgene filter with syringe, alat cacah MCA dan alat gelas/plastik sebagaimana digunakan pada lab kimia umumnya. Prosedur Sampel ditimbang dengan berat tertentu, kemudian dikontakkan di dalam vial PE 20 ml dengan larutan yang mengandung CsCl 1x 10-4 dan 1x 10-8 M dengan ratio 10-2 g/ml. Setelah itu pengemban Cs-137 diberikan ke dalam campuran tersebut. Keasaman dan kekuatan ion larutan diberikan sebagai pemberi pengaruh pada interaksi CsCl dengan sampel. Rentang pH larutan dibuat berkisar antara 3-9, sedangkan kekuatan ion direntang antara 0; 0,1 dan 1,0 M NaCl. Campuran sampel dan larutan CsCl dirolling sampai mencapai kondisi setimbang dan pengaruh pH dan I larutan terhadap interaksi CsCl-sampel dapat diketahui dengan cara mengukur konsentrasi CsCl yang ada di larutan. Pemisahan fasa padat-cair dilakukan dengan menggunakan cara filtrasi dan larutan hasil pemisahan diambil untuk diukur aktivitas γ-nya dengan menggunakan detektor NaI(Tl) jenis sumuran. Larutan sisanya digunakan untuk mengukur pH larutan. Nilai koefisien distribusi/Kd radionuklida dapat dihitung dengan persamaan [8],
Kd=
C 0− C t V Ct m
(1)
dimana C0 dan Ct masing-masing adalah konsentrasi awal Cs dan konsentrasi akhir Cs di larutan, V adalah volume total larutan (ml), m adalah massa lempung (g) dan Kd adalah distribusi koefisien Cs-
44
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol.13 No.1 2010
ISSN 1410-9565
137 di padatan dan di larutan saat mencapai kondisi kesetimbangan. Kegiatan penelitian ini seluruhnya dilaksanakan pada tahun fiskal 2009 di Lab Kimia Bidang Teknologi Penyimpanan Lestari-PTLRBATAN, Serpong-Tangerang, Banten. HASIL DAN PEMBAHASAN Komposisi kimia dari sampel Hasil analisis dari masing-masing sampel mempunyai komposisi kimia unsur makro seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil analisis fisika-kimia sampel host rock [9]. Sampel 1 Sampel 2 Unsur K 0,06 % 0,22 Ca 0,10 % 0,55 Mg 0,17 % 1,10 Na 0,08 % 0,15 Fe 1,97 % 3,02 Al 4,70 % 6,99 Mn 145 ppm 499 ppm Silikat kasar 91,60 % 75,34 Sedangkan hasil analisis sampel mineral liat dari masing-masing sampel ditunjukkan pada Tabel 2, dimana informasi kandungan mineralnya diperoleh melalui cara difraksi sinar X. Tabel 2. Hasil analisis mineral sampel host rock [10]. Sampel Kaolinit Muskovit (Ba) Monmorilonit Meta haloisit
Kuarsa
Sampel 1 Sampel 2
+++ ++
+ +++
Kelas mineralogi Kaolinitik Haloistik
Catatan: ++++ dominan, +++ banyak, ++ sedang, + sedikit, (+) sangat sedikit
Pengaruh pH larutan Perubahan kondisi larutan diperkirakan akan mempengaruhi kondisi penyerap (sampel host rock) dan spesiasi ion logam/radionuklida yang akan berinteraksi dengan sampel. Interaksi sampel dan larutan dengan kondisi keasaman tertentu menyebabkan terjadinya pergantian ion-ion pertukaran (ion H, Na, Mg, Ca) yang ada di permukaan batuan dengan ion hidroksida di larutan. Radionuklida yang ada di larutan kemudian berinteraksi dengan batuan sampel [11]. (2) R-H + OH- <---------> R- + H2O R adalah matrik yang tak larut dari sampel batuan. Radiocesium merupakan radionuklida yang cukup mobile pada lingkungan, tidak terspesiasi, mudah berasimilasi dengan organisme-organisme yang ada di larutan maupun tanah sehingga cukup efisien terserap oleh binatang pada sistem rantai makanan [12]. Secara umum dengan kondisi seperti diatas, keberadaan Cs di tanah/host rock atau di air tanah akan ditentukan oleh kapasitas serap fase padatnya/host rock [12-14]. Host rock yang baik bersifat menyerap kontaminan sehingga diharapkan mampu mencegah terjadinya penyebaran kontaminan dari fasilitas PA-LRA ke biosfer.
45
Budi Setiawan : Interaksi Radiocesium dengan Host Rock di Bawah Pengaruh Ph dan Kekuatan Ion Larutan
10000
300
(a)
(b)
250 200
6000
Kd (ml/g)
Kd (ml/g)
8000
4000 2000
150 100 50
0
0
3
4
5
6
7
8
9
10
3
4
5
6
pH
10000
8
9
10
300
8000
250
(c)
(d)
200
6000
Kd (ml/g)
Kd (ml/g)
7
pH
4000
150 100
2000 50
0
0
3
4
5
6
7
pH
8
9
10
3
4
5
6
pH
7
8
9
10
Gambar 1. Pengaruh perubahan pH larutan terhadap nilai Kd, (a) (b) Sampel 1, (c) (d) Sampel 2 -8 -4 (a) (c) 1 x 10 M (b) (d) 1 x 10 M CsCl Pengaruh pH larutan terhadap interaksi radiocesium dengan sampel host rock ditunjukkan pada Gambar 1. Nilai Kd radiocesium yang dihasilkan relatif tetap terhadap adanya perubahan pH di larutan. Kuatnya sifat penyangga (buffer) dari sampel ditengarai menyebabkan adanya penambahan atau perubahan sifat asam atau basa di larutan terhadap sampel tidak memberikan pengaruh yang nyata pada perubahan nilai Kd radiocesium ke sampel. Kondisi ini terlihat disepanjang rentang pH yang dikenakan terhadap sampel. Walaupun ada sedikit perbedaan pada nilai Kd yang dihasilkan, dimana pada Gambar 1(a) sampel host rock memberikan nilai yang l ebih tinggi dibandingkan dengan hasil Kd sampel lainnya/1(c). Hal ini kemungkinan disebabkan karena perbedaan komposisi kimianya yang berbeda antara sampel satu dengan lainnya. Hasil sorpsi CsCl pada Gambar 1(a)(c) memberikan hasil yang lebih tinggi dari pada hasil sorpsi pada Gambar 1(b)(d). Perbedaan konsentrasi CsCl di larutan telah memberikan nilai Kd radiocesium yang berbeda. Meningkatnya konsentrasi CsCl di larutan akan segera menjenuhkan kapasitas serap host rock, dan CsCl tersisa di larutan akan menurunkan perhitungan nilai Kd radiocesium. Pengaruh Kekuatan ion ( I ) Hasil perhitungan nilai Kd radiocesium akibat pengaruh kekuatan ion/I larutan ditunjukkan pada Gambar 2. Penurunan nilai Kd yang diakibatkan oleh bertambahnya konsentrasi garam latar/NaCl telah diamati oleh beberapa peneliti [15] walaupun penyelidikan secara sistematik belum pernah dilakukan terhadap fenomena seperti ini.
46
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol.13 No.1 2010
ISSN 1410-9565
6000
300
5000
250
4000
200
Kd (ml/g)
Kd (ml/g)
Kemungkinan terjadinya perubahan sifat elektrostatis larutan akibat meningkatnya kekuatan ion di larutan dapat menyebabkan berkurangnya sifat selektifitas terhadap suatu kation monovalen seperti cesium pada suatu sistem pertukaran yang heterogen seperti tanah/batuan [16-18]. Atau cara ini dapat dijelaskan dengan teori lapisan ganda elektrik (electrical double layer theory) yang ada di sekeliling batuan host rock, dimana site aktif yang ada disekeliling batuan host rock akan melakukan reaksi netralisasi dengan ion-ion Na sebagai garam latar. Akibatnya ion-ion logam yang ada disekitar batuan bila akan berinteraksi dan beraksi dengan batuan sampel dikontrol secara + + kompetisi antara garam latar/Na dan Cs . Sehingga meningkatnya konsentrasi garam NaCl di larutan akan menyebabkan meningkatnya ion-ion Na di daerah pertukaran luar bahan penukar kation yang dapat menyebabkan meningkatnya kompetisi antara ion-ion logam yang berada di daerah pertukaran luar bahan penukar ion seperti sampel host rock.
3000 2000
150 100 50
1000
0
0 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.0
1.0
0.2
0.6
0.8
1.0
I (M NaCl)
6000
300
5000
250
4000
200
Kd (ml/g)
Kd (ml/g)
I (M NaCl)
0.4
3000 2000 1000
150 100 50
0
0
0.0
0.2
0.4
0.6
I (M NaCl)
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
I (M NaCl)
Gambar 2. Pengaruh perubahan kekuatan ion di larutan terhadap nilai Kd, (a)(b) Sampel 1, (c) (d) Sampel 2, (a)(c) 1 x 10-8 M (b) (d) 1 x 10-4 M CsCl KESIMPULAN Telah dilakukan penelitian tentang interaksi radiocesium dengan host rock pada kondisi pH dan kekuatan larutan yang bervariasi. Hasilnya menunjukkan bahwa perubahan pH di larutan tidak mempengaruhi perhitungan nilai Kd radiocesium ke host rock karena kuatnya sifat buffer dari batuan host rock. Berubahnya kekuatan ion larutan memberikan pengaruh pada nilai Kd radiocesium, hal ini kompetisi antara ion garam latar dengan cesium telah menyebabkan terjadinya penurunan nilai Kd radiocesium ke host rock.
47
Budi Setiawan : Interaksi Radiocesium dengan Host Rock di Bawah Pengaruh Ph dan Kekuatan Ion Larutan
UCAPAN TERIMA KASIH Kegiatan ini telah dibiayai oleh Kementerian Pendidikan Nasional melalui Program Insentif Riset DIKNAS-BATAN Tahun 2009. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Sdr. Teddy Sumantry BSc. dan Sdri. Nurul Efriekaningrum SST. dari Bidang Teknologi Penyimpanan Lestari, Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN atas bantuan preparasi dan pekerjaan radiokimianya. DAFTAR PUSTAKA [1] IAEA: Operational Experience in Shallow Ground Disposal of Radioactive Wastes, Technical Report Series no. 69, IAEA-Vienna (1985). [2] IAEA: Siting of Near Surface Disposal Facilities, SS no. 111-G-3.1, IAEA-Vienna (1994). [3] IAEA: Siting of Geological Disposal Facilities, SS no. 111-G-4.1, IAEA-Vienna (1994). [4] Wahlberg, JS., Fishman, MJ.: Adsorption of Cesium on Clay Mineral, USGS Bull 1140-A (1962). [5] McBride, MB.: An Interpretation of Cation Selectivity Variations in M+-M+ Exchange on Clays, Clays and Clay Minerals 27, 417-422 (1979). [6] Di Toro et.al.: Effects of Nonreversibility, Particle Concentration and Ionic Strength on Heavy Metal Sorption, Environ. Sci. Technol 20, 55-61 (1986). [7] Suryanto: Radionuklida Acuan Pada Analisis Keselamatan Penyimpanan Limbah Radioaktif, Prosid. Pertemuan dan Presentasi Ilmiah I, PTPLR-BATAN, Serpong, 138-142 (1997). [8] Erten, HN., et.el.: Sorption of Cesium and Strontium on Montmorillonite and Kaolinite, Radiochim. Acta 44/45,147 (1988). [9] BALIT TANAH, Hasil Analisis Contoh Tanah, Sertifikat Pengujian, Departemen Pertanian-Bogor (2009). [10] BALIT TANAH, Hasil Analisis Mineral Liat, Sertifikat Pengujian, Departemen Pertanian-Bogor (2009). [11] IAEA: Use of Local Mineral in The Treatment of Radioactive Waste, Technical Report Series no.136, IAEA-Vienna (1972). [12] Coughtrey, PJ., Thorne, MC.: Radionuclide Distribution and Transport in Terrestrial and Aquatic Ecosystems Vol.1, Rotterdam: A.A. Balkema Publ., 496 (1983). [13] Livens, FR., Loveland, PJ.: The Influence of Soil Properties on The Environmental Mobility of Cesium in Cumbria, Soil Use Manage. 4, 69-75 (1988). [14] Kirk, GJD., Staunton, S.: On Predicting The Fate of Radioactive Cesium in Soil Beneath Grassland, J. Soil Sci. 40, 71-84 (1989). [15] Staunton, S., Roubaud, M.: Adsorption of 137Cs on Montmorillonite and Illite: Effect of Charge Compensating Cation, Ionic Strength, Concentration of Cs, K and Fulvic Acid, Clays and Clay Minerals 45, No.2, 251-260 (1997). [16] M. Ding et.al.: Sorption Characteristics of Radionuclides on Clays in Yucca Mountain Alluvium, Presented to 2006 IHLRWM, April 30 - May 4, 2006, Las Vegas, Nevada. [17] MV. Mironenko et.al.: Experimental Study of Sorption of Np(V) on Kaolinite, Herald of the Department of the Earth Sciences RAS, 2004. [18] WY Um, and C. Papelis: Sorption Mechanisms of Sr and Pb on Zeolitized Tuffs From The Nevada Test Site as a Function of pH and Ionic Strength, American Mineralogist, Vol. 88, 2028–2039 (2003).
48
