~ PENGARUH
127
ISSN 0216-3128
Hidayati, dkk.
KONDISI
PENCAMPURAN
UREA
+ URANIUM
PEMBUA T AN GEL UO3
P ADA
5 J-1...
Hidayati, Bangun Wasito, Nur Wijayadi daD Endang Nawangsih
PuslitbangTeknologiMaju Batan,Yogyakarta Ari Handayani PusatPenelitiandon Pengembangan JptekBahanBatan, Serpong
21T~
ABSTRAK PENGARUH KONDISI PENCAMPURAN UREA + URANIUM PADA PEMBUATAN GEL U03. Gel UO3 telah dibuat dengan mereaksikan larutan uranil nitrat dengan urea + HMTA kemudian diteteskan ke dalam kolom yang berisi media parafin pada suhu 950C. Suhu don lama pencampuran larutan uranil nitrat + urea sangat berpengaruh terhadap hasil kernel yang dihasilkan. Pada penelitian ini suhu don lama pencampuran divariasi yaitu suhu 250C don 50oc serlo lama pencampuran 15 menit don 5 jam. Bola-bola mikro gel U03 yang diperoleh dicuci dengan NH40H 2,5~ kemudian dikeringkan. Gel hasil pf!ngeringan diambil sampel untuk dianalisis sifat-sifat fisisnya dengan alar Surface Area Analiser. Analisis sifat flSisnya mf~liputi kerapatan, luGS muka,jari-jari pori rerata don volume pori totalnya. Bola-bola mikronya diamati dengan mikroskup optik dengan perbesaran 12 kali don morfologi permukaannya diamati dengan alar SEM pada tegangan 20 keV deng.:zn perbesaran 5000 kali. Pada variGSi pencampuran yang dilakukan, menunjukkan bahwa pencampuran uranium -+ urea pada suhu 500C dengan waktu 5 jam memberikan hasil yang lebih baik dari pada variasi yang lain. Pada kondisi tersebut, bola-bola mi.':.roU 308 mempunyai kerapatan lebih besar. Sedang volume pori total, jarijari pori rerata don luGS mukanya lebih kecil. Selain itu, morfologi permukaan don distribusi ukuran porinya lebih kecil, lebih halus don lebih me~ratadibandingkan dengan variasi yang lain. Pada kondisi tersebut, diperoleh bola mikro U308 yang mempunyai kerapa,ran = 7,866 g/cm3, luGS muka = 1,732 m2/g, volume pori total = 2,J 73 cm3/g don jari-jari pori rerata = 25,089 A
ABSTRACT THE EFFECT OF MIXED CONDIT/ON UREA+ URANIUMON THE PREPARATIONOF GELLED UO3. The gel was prepared by reacting uranyl nitrate and urea + HMTA, theywere then droppedinto a column containing paraffin oil at temperatureof95OC. Temperatureand mixing time ofuranyl nitrat solutionand urea influencedvery much to the resulted microspheres.In this research,the temperatureand mixing time were varied,i.e. 250C and 500C,and mixing times of15 minutesand 5 hours. Th,eobtainedgels were washedusing 2,5%NH40H and then dried. Samples ofthe dried gels were taken and analyzedtheir physical properties by SurfaceArea Analyzer. The physical characterization involved density, surface area, pore radi;usand total pore volume. The microsphereswere observed by optical microscope with 12 x magnificationand morphology ofthesurfacewas observedbySEMwith voltageof20 keV and 5000x magnification.On the variation ofmixing that havebeendoneshowedthat mixing ofuranium+ ureaat 500C and 5 hours gave better result than the other variations. Underthat conditionthe obtainedU308 microsherehavinghiger density. While the total pore volume, averageradii ofpore a/lidsurfacearea were smaller. More over the surfacemorphologyand pore size distribution were smaller, smother/ morefine and more homogeneous than that of other variations. Under that conditions the obtained microsphereshaving density of 7.866g/cm3,surfacearea ofI. 732 m2/g,total pore volume of2.173 cm3/g and average pore radii of25.089 A.
PENDAHULUAN P
embuatan ke.mel UO2 yang digunakan untuk elemen bakar pada reaktor suhu tinggi ( HTR =
High Temperature Reactor) bisa dilakukan melalui proses kimia basah yang biasa dinamakan proses sol-gel. Proses kimia basah / gelasi bisa diklasifikasikan menjadi gelasi internal .:Ian eksternal. Kedua proses tersebut mempunyai kelebihan maupun kekurangan. Proses gelasi kimia internal mempunyai keuntungan pengendapan homogen tanpa trasfer massa serta butiran dengan diameter kecil, sedang dan besar mudah disiapkan sesuai
dengan keinginan kita. Butiran gel yang besar tidak dapat disiapkan dengan gelasi kimia eksternal. Sedangkan kerugian dari gelasi internal adalah larutan induk sensitif terhadap suhu dan mempunyai umur yang pendek serta gelasi terjadi dalam keadaanpanas. Pada penelitian ini pembuatan kernel ua2 dilakukan deng_anmetode gelasi il1ternal. Proses yang dilakukan adalah modifikasi dari proses KEMA dan HKF A, seperti yang telah dilakukan oleh Wardaya,dkk dengan diagram alir pada Gambar 1. Seperti pada diagram alir tersebut, larutan uranil nitrat yang telah dicampur dengan
Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Oasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001
128
ISSN 0216 -3128
urea dan HMT A pada suhu O°Cdidispersikanke dalam kolom yang berisi minyak parafin 95°C dan dipadatkan dengan reaksi pengendapansecara kimia. Partikel gel tersebut kemudian diproses menjadi mikrobutir keramik sesuaidengan yang dikehendakiterutamadenganperlakuantermal. Untuk memperolehbasil kernel yang baik dengan densitastinggi, pengendapanharus selalu menjadi gel yang baik. Struktur gel I mikrobutir partikel harus dijaga selama pengeringanmelalui penyusutan yang seragam(I,2).Oleh karena itu pengeringan harus dilakukan secara bertahap. Akumulasi uap dan pemanasanyang mendadak selama prosespengeringanharus dihindari karena dapat merusak butiran. Masih banyak faktor yang sangat mempengaruhi keberhasilan pembuatan kernel UO2,termasukpenyiapanlarutanumpan. Lar. Uranil nitrat
Urea ,I,
Pendinginan (OOC) ~ dan p<:ncampuran
HMTA--
-~===]=== Gela5:i internal dalam J)arafin 95°C 'J
~~~:~J-
NH40H
I
NH40H
Jadi nitritnya hams dihilangkan sebelum pembentukan tetesan. Bila reaksi antara urea daD nitrit adalah mempakan salah satu sumber daTipecahnya butiran,
masalahnyadapat dicegah dengan memsak nitrit dengan urea sebelum mencampur dengan HMT A
dan didispersikan ke dalam medium organik. Penambahan urea ke dalam lamtan umpan uranil nitrat dengan perbandingan mol yang tepat disertai
pengadukan pada suhu sekitar SO°C,akan menurunkan kandungan nitrit sehingga lebih kecil daTi I ppm(4).Penambahanurea ke dalam lamtan umpan mempunyai keuntungan tambahan mencegah kristalisasi uranil nitrat pada suhu O°C. Selama proses pencampuran, suhu lamtan hams dijaga rendah. Botts, J.L. mengata"kanbahwa lamtan umpan pada suhu -SaC mempunyai umur 24 jam(3). Umurnya bisa lebih pendek pada suhu yang lebih tinggi. Bila suhunya >soC, selama pencampuran akan terjadi pengendapan prematur hila umpannya kemudian didinginkan. Untuk mencegah adanya gelasi prematur, ada 2 langkah yang bisa dilakukan, yaitu(3): I.Mempertahankan suhu lamtan umpan pada -SaC sid O°C untuk menumnkan kecepatan dekomposisiHMTA. 2.Menambah urea ke dalam lamtan kompleks ion uranil daD melindunginya daTi HMT A yang terdekomposisi secara lambat. Jadi tujuan utama penambahan urea adalah untuk membentuk kompleks dengan ion uranil dan mencegah gelasLprematur daTi uranium. Kompleks
urea
~ge Qal
kernel U02
Gambar 1. Diagrama/ir prosesso/-ge/(5) Penyiapan larutan umpan yang dilakukan dengan melarutkan U30s dalam larutan asam nitrat, larutan akan mengandung nitrite yang bisa bereaksi secara kuantitatif dengan urea menghasilkan produk gas nitrogen daD karbon dioksida. Oemikian juga, hila larutan uranil nitrat dicampur dengan urea + HMT A daD cairan te:rsebut didispersikan dalam bentuk tetesan ke dalam medium organik, gas-gas basil reaksi menyebablkan tetesan tersebut pecah.
Hidayati, dkk.
mempengamhi kecepatan pengendapan
uranium oleh NH40H.lan sifat-sifat endapannya(4). Kanijs menyatakan bahwa urea menaikkan kecepatan dekomposisi HMTA(4). Pada penelitian ini dipelajari pengamh suhu daD waktu pencampuran urea + uranium terhadap sifat fisis bola-bola mikro gel U03 dan U308' Pada penelitian terdahulu, pencampuran dan pelarutan urea ke dalam lamtan umpan dilakukan selama sekitar S-IS menit daD pada suhu kamar. Pengamatan sifat fisis gel kering maupun hasil kalsinasi dilakukan dengan alat Surface Area Analizer, sedang pengamatan bola-bola mikronya dengan mikroskop optik daDSEM.
TATA KERJA: Bahan-bahankimia yang diperlukan : Larutan uranil nitrat, asam nitrat pekat, asam sulfat pekat, asam fosfat pekat, natrium hodroksida titrisol, amonium hidroksida, kalium bikromat titrisol, urea, HMT A, minyak parafin, asam amido sulfonat, barium difenil sulfonat, dan air bebas mineral (ABM).
Prosidlng Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
Hidayati,dkk.
129
ISSN 0216 -3128
Peralatan yang digunakan : Seperangkat alat untuk pembuatan gel (kolom gelasi yang dilengkapi dengan kompor listrik, termostat, penampung umpan clan pompa udara), peralatan gelas, kompor listrik, tungku pengering, tungku kalsinasi, seperangkat alat Surface Area Analizer, mikroskop optik, clan Scanning Electron Microscope (SEM).
Prosedur percobaan: 1. Dibuat larutan umpan untuk gelasi internal: a. 50 gram U)Og dilarutkan dalam HNO) 5,6 N pada suhu 80°C sehingga diperoleh larutan uranil nitrat. b. Larutan uranil nitrat basil pelarutan diuapkan sampai hampir kering berkali-kali kemudian ditambah ABM hingga larutan mempunyai konsentrasi uranium sekitar 2,2 M dan keasaman sekitar 1,0N. c. Larutan ditambah urea dengan perbandingan mol urea / U = 2,2 d. Larutan didingullkan pada suhu O°Ckemudian ditambah HMT A dengan perbandingan mol
002 adalah kalsinasi, reduksi, dan sintering. Pacta penelitian ini, untuk mempelajari pengaruh kondisi pencampuranurea + uranium terhadap sifatsifat fisis bola mikro gel 003 dan 0308 dilakukan variasi terhadap suhu dan waktu pencampuran. Berdasar pustaka, suhu dan waktu pencampuran urea + uranium yang terbaik adalah 50°C selama 24 jam. Dalam percobaan ulang, ternyata umpan uranil nitrat akan mengendapsetelah pencampuran dengan urea selama 8 jam. Oleh karena itu, pacta penelitian ini dicoba pacta suhu 25°C dan 50°C serta waktu 15 menit dan 5 jam. Adapun bola-bola mikro gel 003 hasil variasi tersebut dilihat dengan mikroskop optik dengan perbesaran 12 kali dapat dilihat dalam Gambar 2.
HMTA/U=2,3. . Reaksi antara urc:a + uranil nitrat pada no. 1c divariasi pada suhu 25°C dan50°C dengan waktu pencampuran selama 15 menit dan 5
2.
3.
4.
5.
6.
7.
jam. Pembuatan gel UO) dilakukan dengan meneteskan umpan gelasi yang diperoleh dari no.l ke dalam kolom yang berisi minyak parafin pada suhu 95°C. Gel yang diperoleh direndam dalam NH.OH 2,5 N selama > 12 jam kemudian dicuci dengan cairan serupa sebanyak 5 kali. Gel tersebut masing-masing dikeringkan secara bertahap yaitu pada suhu 50°, 70° kemudian pada suhu 100°C. Gel hasil pengeringan masing-masing diambil sebagian untuk dianalisis sifat-sifat fisisnya dengan alat Surface Area Analyzer, Mikroskope Optik dan struktur mikronya dengan alat SEM pada tegangan 20 keY.. Gel hasil pengeringan tersebut dikalsinasi pada suhu 800°C di dalam tungku kalsinasi kemudian dianalisis sifat-sifat fisisnya maupun struktur
Gambar 2. Bola -bola mikro gel UOj dilihat dengan mikroskop optik dengan perbesaran 12 kali dengan variasi suhu dan waktu pencampuranurea+ uranium.. (a). T=250C, 15 menit. (b). T=250C,5 jam (c).T=50oC. 15 menit. (d). T=500C.5jam
m ikronya.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil gel ua,1 yang diperoleh dari kolom gelasi berwarna jingga transparan, setelah melalui perlakuan perendaman, pencucian dan pengeringan berubah warnanya menjadi agak kuning dan agak buram. Proses selanjutnya untuk memperoleh kernel Prosiding
Pertemuan
dan Presentasl
IImiah Penelitian
Dari Gambar 2 terlihat bahwa pada semua variasi, gel UO] yang telah dikeringkan pada 100°C berbentuk bulat dan mempunyai ukuran antara 1660 sid 2080 ~m. Bola-bola mikro gel UO] tersebut kemudian dikalsinasi pada suhu 800°C sehingga berbentuk senyawa U]08. Ukuran dari bola-bola mikro U]08 tersebut adalah antara 1160 sid 1580 ~m. Apabila dihitung dari perubahan beramya, penyusutalLdari gel UO] basah menjadi U]08 ratarata adalah sekitar 72,03%. Penyusutan tersebut adalah hampir sesuai dengan yang diperoleh Haas,B.A. bahwa penyusutan UO] basah menjadiU]08 hasil kalsinasi adalah sekitar 75%(]). Adapun hasil analisis sifat fisis gel UO] dan bola mikro U]08 dengan alat Surface Area Analizer ada pada Tabell dan 2 sbb. :
Dasar IImu Pengetahuan
P3TM-BA T AN Y ogy akarta, 7 -8 Agustus
2001
dan Teknologl
Nuklir
Tabell. Hasil analisissifatfisis gel va 3 denganalat SurfaceAreaAnalizer
Tabel2.
Hasil analisis sifat fisis bola mikro U3O8dengan alat Surface Area Analizer
Dari Tabel I dan 2 terlihat bahwa luas muka maupun volume pori totalnya yang paling kecil adalah pada reaksi ant~lfaurea + uranium pada suhu
inaka pada saat pembentukangel nitritnya sudah tidak ada ( hanya sedikit sekali ) yang menguap
50°C dan waktu 5 jam. Hal ini sesuai dengan
sehingga .memberikan morfologi permukaan dengan ukurlln pori yang lebih halus (lebih kecil) dan lebih meratadari padavariasiyang lain.
gambar morfologi pemlukaan dari U30, pada variasi tersebut memberikan morfologi permukaan serta pori-pori yang lebih kl~cil dan lebih halus / lembut dari pada variasi yang lain, seperti pada Gambar 3. Hal ini mungkin disebabkan karena pada variasi tersebut, seperti yang telah dijelaskan pada latar
Gambar 3. Bola-bola mikro UjOS dilihat dengan SEM deng"anperbesaran5000 kali dengan variasi suhu don waktupencampuran urea + uranium.. (a). T 250C. 15 menit. (b). T 250C, 5 jam (c).T=500C, 15menit.(d). T=500C,5jam belakang teori, bahwa apabila reaksi pencampuran antara urea + uranium sudah mencukupi (baik), dalam hal ini semua nitrit yang terbentuk telah hilang pada saat pencampuran awal urea + uranium,
dan
keluar
dari
bola-bola mikro
gel
V03
Gambar 4. Distribusi ukuranpori bola-bola mikro UjOS pada variasi pencampuranurea + uraniumyaitu pada T=50oC,5jam Data tersebut didukung juga ole" gambar grafik distribusi ukuran pori pada varia~i kondisi pencampuran urea + uranium pada suhu 50°C, selama 5 jam seperti pada Gambar 4. Adapun gambar grafik distribusi ukuran pori pada kondisi pencampuran urea + uranium yang lain ada pada
Prosiding PertElmuan dan Presentasilimiah Penelitlan Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
Hidayati, dkk.
,
ISSN 0216 -3128
lampiranGambar5, 6 daD7. Dari Gambar4 sId 7 tersebut memberikan informasi distribusi ukuran pori pada semua variasi pencampuranurea + uranium secara keseluruhanmenunjukkan bahwa ukuran pori yang kecil pada permukaan gel mempunyaijumlah yang lebih banyak,sedangkan ukuran pori yang besar jumlahnya lebih sedikit. Namun pada variasi peillcampuran urea + uranium pada suhu 50°C sela-ma5 jam mempunyaijumlah pori kecil yang lebih baJllyakdari pada variasiyang lain. Hal ini hampir sesuaidenganGambar3 bahwa pada kondisi tersebut, morfologi permukaan gel mempunyaipori-pori yang lebih meratadaD lebih kecil darii padavariasiyanglain.
131
4. Haas,B.A., et aI, Consolidited Fuel Recycle Program-Refabrication, "Chemical Flowsheet Conditionsfor Preparing Urania", ORNL-TM~, 1979 5. Wardaya,dkk.,
LAMPIRAN .0.0
.
;;:; "0'
KESIMPULAN : Dari penelitian tersebut dapat diambil kesimpulan sebagaiberikut: -Pada pembuatan gel VO3, suhu clan waktu pen-campuran urea + uranium sangat berpengaruh terhadap basil bola-bola mikro gel VO3 maupun V3O. yang dihasilkan. -Pada kondisi pencampuran yang dilakukan, menunjukkari bahwa pencampuran uranium + urea pada suhu 50°C dengan waktu 5 jam memberikan basil yang lebih baik dari pada kondisi yang lain. Pada kondisi tersebut, bolabola mikro V3O. nrlempunyai kerapatan lebih besar. Sedang volume pori total, jari-jari pori rerata clan luas mukanya lebih kecil. Selain itu, morfologi permukaan dan distribusi ukuran porinya lebih kecil, lebih halus clan lebih merata dibandingkan dengan variasi yang lain. Pada kondisi tersebut, diperoleh bola mikro V3O. yang mempunyai kerapatan = 7,866 g/m3 luas muka = 1,732: m2/g, volume pori total = 2,173 cm3/g clan jari-jari pori rerata =
~
M
'V
u ';' ",. I"0 .-
:> e Po 0
.,..
M..-, Pore1"---Radiua (Ang) m.M
-
Gambar 5. Distribusi ukuranpori bola-bola mikro UjOS pada variasi pencampuranurea + uraniumyaitu pada suhu kamar, 15 menit
25,089A.
DAFTARPUSTAKA:
~
1.,. Bishay,A.F., et ai, Effect of Washing Conditions On The Thermal Decomposition Behavior of Gelled VO) Mocrosphere, Journal of Thermal Analysis. vol. 32, 1987, 1415-1427 6
Bishay,A.F., et ai, Kinetics of Thermal Decomposition of Gelled VO) Mocrosphere, Journal of Thermal Analysis, vol. 32, 1987,
1877-1881 3. Beatty,R.L., et ai, Gel-Sphere-Pac Fuel for Thermal Reactors -Assessment of Fabrication Technology and Irradiation Performance, ORNL- TM-5469, 19jf9
...llno ",..
""" ",...,,".. ",-
".-
PoreR.diua(Ang)
Gambar 6. Distribusi ukuranpori bo/a--bo/amikro UjOS pada variasipencampuranurea + uranium yaitu pada suhu komar, 5jam
Proslding PertemlLJandan Presentasillmiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001 ..
132
ISSN 0216 -3128
Hidayati, dkk. -
sifat-sifat kimianyatelah dipelajari oleh peneliti lain.
.."
-Mengenai mengendapnyalarutan umpan pada pencampuran> 5 jam memangberhububungan denganKspnya,namunsebenarnya~al ini tidak perlu dipelajari karena denganlogilCabisa kita pikirkan hila larutan dipanasipada suhu 500Cj, dalam waktuyang agak lama, larutan sebagian akan menguapsehingga konsentrasi uranium dalam larutan semakinpetal dan pada kondisi asamyang rendahlarutan akan mengendap.
.. ,-
~
.., u ~
i 0
:>
~
'"
.-
0
,.--
poreR.diul (Ans) "'_""""1I.IW"""'"-..'
Gambar 7. D;str;bus;ukuranpori bola-bola m;kro U30S pa(io var;as;pencampuranurea + uran;uln ya;tu pada T=500C. 15 men;t
TANYAJAWAB Endang Sosiantini
---
-Mohon dijelaskan pengaruh urea (mekanismenya) -Kenapa yang dilihat sifat fisisnya bukan reaksi kimia. I. 2. 3. 4.
Kecepatanreaks:i(kesetimbangan) Kesetimbanganreaksi Kesempumaanreaksi Hubungan pengendapandengan Ksp tidak dengansifat-sifatfisis hasil akhir.
-Pencampuran urea dengan uranium memang merupakanreaksi kimia, tetapi dalam hal ini yang paling penting adalah pada kondisi pencampuranurea denganuranium (yang telah dioptimasi oleh orang lain) pada suhu 500C, tujuannya terutama untuk menghilangkannitrit (hasil reaksipelarutan UjO8 dalam asamnitrat pada suhu 800C) yang ada dalam larutan umpan. Adanya nitrit tersebut hila tidak dihilangkan bisa r::enyebabkanhasil gel UOj maupunbola-bola mikro UjO8 yang dihasilkan pecah/ rusak karena nitrit yang ada akan menguapdalambola-bolagel UOj pada saat proses gelasi maupun pada saat pengeringan yang memberikanandi! pembentukanpori-pori pada bola-bola gel UOj. Apabila jl.lmlah nitrit yang menguapterlalu banyak makG pori-pori yang terbentukakan semakinbanyak sehingga kerapatan(densitas)nya akan semakinmenurun dan bisa menyebabkan keretakan(pecah). Dwiretnani -Apakah tujuan daTi penelitian ini, sebenamya hanya membandingkan basil yang diperoleh pada 2 kondisi tertentu ataukah mencari kondisi optimum.
Hidayati -Pengaruh urea (fungsi penambahan urea) antara lain adalah: -membentuk komplekdenganion uranil. -mencegah gelasiprematur -kompleks urea mempengaruhi kecepatan pengendapanU oleh NH40H (pada soot gelasi, NH40H dari dekomposisi HMTA) sehinggagelasiprematurbisa dicegah. reaksinyaadalahsbb:
YO2(N°3h+ 2 NH2CONH2 ~
~
[UO2(NH2CONHJJ2+ + 2 NO; Da/am hat ini, sengajayang komi /ihat ada/ah sifat fisisnya karenamemangkomi ingin me/ihat sifat-sifatfisis tersebutsecaramendalamkarena
-Untuk mencari kondisi optimum mestinya dibuat interval tertentu sehinga bisa dibandingkan tidak hanya dua titik.
Hidayati -Tujuan dari penelitian ini adalah membandingkan hasil yang diperoleh pada dua kondisi tertentu,karenakondisiyang lain telah dilakukan oleh orang lain (telah dilakukan optimasi oleh orang lain). Jadi saya bukan mencari kondisi optimum, tetapi mencari kondisi yang sesuaiuntuk bisa dilakukanyaitu kondisi pencampuran yang mendekati hasil optimasioranglain.
Prosldlng Pert,emuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7.8 Agustus 2001
