~ Busron Masduki,dkk.
153
ISSN 0216 -3128
PEMBENTUKAN KRAD PADA LARUT AN URANIUM DAN TORIUM
PROSES STRIPPING
s If
Busron Masduki, R. Didiek Herhady, Endang Susiantini daDDwi Heru Sucahyo Pus/itbangTekn%gi Maju Batan,Yogyakarta.
2/9-7' ,
ABSTRAK
PEMBENTUKAN KRAD PADA PROSESSTRIPPING LARUTAN URANIUM DAN TORIUM. Telah dilakukan proses stripping untuk memisahkantorium dan uranium dalam lase organik. Setelahproses pemisahantersebut.torium masukkelase air sedanguranium tetapdi lase organik. Di zone stripping ini masih mungkin terjadi pembentukan krad. karenapembentukkrad hasil hidrolisis TBP yakni MBPIDBP serra produk jisi zirkonium. selamaproses terbawa oleh lase organik. Uranium sebagai elemenindividu dalamlase organik tidak menimbulkankrad. Pada zonestripping krad terbentukdan sangat dipengaruhi oleh keasamanstripper. Prosesstripping dalampesawatpengadukpengenapsatu stagepada kondisi {ThJ = /99./8gll. [UJ = 28.85gll. rpm = /800. ala =/. denganstripper asamnitrat. keasamanstripperyang terbaik = O,5N.Pada keasamanstripper = O,5Npembentukonkradpadazonestripping dapat dikendalikan.
ABSTRACT CRUD FORMATION IN THE STRIPPINGPROCES'SOF URANIUM -THORIUM SOLUTION. It was carried out stripping processesto separatethorium and uranium in organic phase.After partitioning, the thorium was stripped into the aqeousphasewhile uraniumremainedin the organic phase.In the stripping zone, the crud formation still possiblesince the hidrolized product of MBPIDBP and fission product zirconium were in the stream oforganicphase.As an individual uraniumelementdid notform crud. In the stripping zone crud formation was influenced by the stripper acidity. Stripping processesin one stage mixer settler. in the conditionsoffThJ = 199.18gll..{UJ =18.85 gl/. rpm = 1800,0/0 ~J.,iising nitric acid stripper. the optimal acidity was O.5N.For the stripper acidiyofO.5N. the crud formation in the stripping zonecould be controlled.
PENDAHULUAN T
orium merupakan bahan bakar reaktor ketiga setelah uranium dan plutonium. Abundansi di alam cukup tinggi, duakali lipat dibandingkan abudansi uranium. Indonesia memiliki deposit monasit yang mengandung torium (5-8)%(1). Pengembangun reaktor daya maju HTR lebih prospektif karena bahan bakar HTR dapat menggunakan 002 atau bahan bakar campuran (0, Th)02. Disamping penggunaan torium dalam HTR memberi kontribusi dalam pembakaran plutonium lebih besar, produk fisi yang dihasilkan lebih sedikit, burn-up lebih tinggi, suhu lebih tinggi, mendukung keberlanjutan karena cadang uranium yang terbatas(2). Bahan bakar campuran tersebut dapat dibuat dengan proses sol gel sedang untuk
reaktor daya maju LWR dapat menggunakan teknologi serbuk J!1aupunproses sol-gel. Darl segi netronik 0-233 yang muncul dalam siklus bahan bakar torium menghasilkan jumtah netron tertinggi dibandingkan semua bahan fisil hila digunakan dalam spektrum netron termal. Dengan 0-233 yang reaktif, ukuran bahan bakar menjadi lebih kecil, dimensi teras reaktor kecil, penggunaantorium akan
-
menaikkan densitas daya dan suhu bahan bakar lebih tinggi(3). Bahan bakar bekas campuran (U, Th)02' setelah dilakukan -pemecahan dan penggerusan, pembakaran untuk menghilangkan karbon, pelindian dengan asam, dekantasi/filtrasi, serta pengaturan umpan, dilakukan ekstraksi. Proses ekstraksi dengan basis bahan bakar torium disebut proses torex(4.S).Pada proses ko-ekstraksi uraniumtorium krad terbentuk dengan formula., Th(DBP)4. DBP berasal daTi proses hidrolisis dan radiolisis TBP dan kemudian terbawa juga ke zone stripping
(Pemisahan uranium dan torium) melalui rase organik. Demikian juga produk fisi zirkonium tidak seluruhnya terpisah masuk kedalam rafmat pada proses ko-ekstraksi sehingga sebagian juga terbawa ke zona stripping melalui rase organik dan kemungkinan dapat membentuk krad ZrO(DBP)2. Terbentuknya krad di zona stripping ini sangat dipengaruhi oleh keasaman larutan(6). Keberadaan zirkonium dapat dicermati pada ujung akhir flowsheet proses torex masih diperlukan pemumian uranium dengan silika gel, penukar ion untuk memisahkan zirkonium(7)dan pengotor lainnya. Reaksi stripping torium-uranium di dalam
raseorganiksbb.:
Proslding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001
154 2.
ISSN 0216 -3128
HNO3encer UO2(N°3)2.2TBPfo + Th(N°3)4.2TBPfo ~ UO2(N°3)2.2TBPfo + Th(N°3)4fa rase organik
Reaksipembentukankrad (dalamraseorganik): Th4+
+ 4(DBP)"
ZrO2+ + 2(DBP)"
~ ~
(I)
ZrO(DBP)2
(2)
Bila diperhatikan maka krad yang terbentuk pacta reaksi (1) dan (2) acta gugus ligan yakni [(C4~hP04]' Dalam gugus ligan acta dua gugus terpisah yakni liopil [-0-] yang suka air dan gugus liopob -[C4~] yang benci air. Bagian liopob ditolak oleh molekul pelarut sehingga molekul didesak keluar atau ke permukaan. Kalau pelarutnya air maka gugus yang didesak keluar adalah gugus non polar, sehingga pacta interface gugus yang polar menghadap ke airS,9). Gambar sederhanapembentukan krad pactainterface
sbb.: hidrofob
C4H9 C4H9 C4H9 C4H9 interface
---~-
0
,,/
faseair
I
0
I-~--"--
0
',,/
0
0 = P-O -Zr-O-P II 0
hidrofil
= 0
Apabila pembentukan krad itu tidak dikendalikan maka proses pemisahan U- 111tersebut tidak berlangsung, karena krad menggangu proses perpindahan massa. Dengan demikian permasalahan yang timbul adalah apakah pada zona stripping masih mungkin terbentuk krad, apabila terbentuk bagaimanakah pembentukan krad dapat dikendalikan. Untuk memecahkan masalah tersebut dilakukan penelitian pembentukan krad di zone stripping terhadap perubahan keasaman stripper.
TATA KERJA 1.Bahan: a. Torium nitrat b. Uranil nitrat c. LarutanDBP/MBP Ill, Merck d. Zirkonil nitrat, Merck e. Asamnitrat, Merck
f. Aquadest/ ABM-P3TM g. Bahankimia analisis,Merck Alat : a. PesawatpengadukPengenap16stage
Th(DBP)4
faseorganik
Busron Masduki, dkk.
b. PesawatPengadukPengenapsatustage c. Alat gelas d. Potensiograph e. Alat titrasi volumetri 3. Cara kerja : a. Dilakukan ekstraksi uranium dari rase air dengan TBP yang diencerkan dengan ndodekan hingga [TBP] = 30%, dengan pesawat pengaduk pengenap 16 stage. Diperoleh larutan rase organik yang kaya uranium 181,45 gram/liter. Larutan rase organik ini dijadikan 1arutan induk untuk percobaanstripping. b. Dilakukanstripping larutanraseorganikyang kaya uranium dengan pesawaiopengaduk pengenap satu stage dengan berbagai keasamanstripper, a/o = 1, rpni = 1800. Pengotor MBPIDBP ditambahkan dalam larutandtngan lajur alir 10 mVjam, [Zr] = 10 ppm, untuk mengamati pembentukan krad. c. Dilakukan ekstraksi uranium-torium dari raseair denganTBP yangdiencerkandengan n-dodekan hingga [TBP] = 30%, dengan pesawat pengaduk pengenap 16 stage. Diperoleh larutan rase organik yang mengandungtorium 199,18 gram/liter daD uranium 28,85 gram/liter. Larutan rase organik ini dijadikan larutan induk untuk percobaanstripping. d. Dilakukanstripping larutanraseorganikyang kaya torium daD uranium dengan pesawat pengaduk pengenap satu stage, dengan berbagaikeasamanstripper untuk optimasi keasamanterhadap basil stripping uranium daDtorium. e. Dilakukan stripping pada kondisi keasaman optimum (hasil d), denganpesawatpengaduk pengenapsatu stage,a/o = 1, rpm = 1800. Pengotor MBP/DBP di-_tambahkandalam larutandenganlaju alir 10 mVjam, [Zr] = 10 ppm, untuk mengamatipembentukankrad. Adapun metodologi penelitian diberikan Gambar 1.
Proslding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
dalam
Busron Masduki,dkk.
ISSN0216-3128
METODOLOGI PENELITIAN Faseair U + 1l} daDU
~
~
raseorganikU+Th atauU
Gambar 1. Metodologi penelitian
Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
155
156
ISSN 0216 -3128
HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan dimulai dengan melakukan eksraksi dengan rase air kaya uranium, menggunakan ekstraktan TBP yang diencerkan dengan n-dodekan hingga [TBP] = 30%. Diperoleh larutan rase organik kaya uranium, [V] = 181,450 g/l. Larutan rase organik tersebut sebagai bahan untuk percobaan pengaruh uranium dan keasaman rase air (stripper) terhadap pembentukan krad. Hasil percobaan disajikan pada Tabel I. Dari data percobaan pada Tabel I jelas bahwa uranium maupun keasaman umpan tidak berpengaruh terhadap pembentukan krad. Sesuai teori unsur pembentuk krad terutama adalah torium, MBPIDBP daD zirkonium. Terbukti uranium sebagai individu unsur maupun bersama pembentuk krad (MBPIDBP daD zirkonium) tidak dapat membentuk krad. Percobaan selanjutnya dimulai dengan membuat larutan untuk umpan stripping kaya torium daD uranium, dengan cara melakukan ek~traksi me::Jggunakanpesawat pengaduk pengenap 16 stage, rase air [Th]= 274,44 g/l dan [U]=30,232 g/l, ekstraktant TBP yang diencerkan dengan n-dodekan, hingga [TBP] = 30%, rpm = 3000, a/o = 1/2,4 daD sebagai pencuci HNO3 = 0,01 N. Diperoleh larutan rase organik yang mengandung [Th] = 199,180 daD [V] = 28,850 g/l. Larutan rase organik ini kemudian digunakan sebagai bahan untuk penelitian stripping dengan pesawat pengaduk pengenap satu stage dengan tujuan: (1)
Busron
Masduki,
(2) mengamati pembentukan krad pada keasamanstripper optimal [basil (1)] (3) mencermati pengaruh keasaman stripper padapembentukankrad Pactapercobaari~(2)dan (3) tersebut diteliti faktor pembentukkrad MBPIDBP, zirkonium daD unsurtorium sendiri. Hasil percobaan(1) disajikan pactaTabel2 Dari hasil percobaan(1) yang disajikan pada Tabel 2, maka prosesstripping akan mencapai optimum pactakeasaman0,5N, dengan kandungan torium pactalarutan rase air 52.557 g/l, sedang uranium tidak terdeteksi (kecil sekali), sehingga dapat dikatakan proses pemisahan torium daD uranium
sempuma. Untuk melihat pengaruhpengotor MBPIDBP (dan zirkonium)dalam stripping,makapadakondisi optimal stripping diatas dilakukan percobaan(2-). HasilpercobaandisajikanpadaTabel3. Dari Tabel 3 diatas, maka pada penambahan MBPIDBP 1,3 daD5 ml daDpengadukanselama60 menit, krad belum terbentuk. lni. berarti bahwa jumlah MBPIDBp. yang diperlukan untuk reaksi pembentukankrad Th(DBP)4daD atau ZrO(DBPh belum cukup. Hal ini dapat dicermati dari reaksi stoikhiometri pembentukan krad (1) dan (2). Sebaliknyapada ~nambahan MBPIDBP = 7 ml, pembentukankrad cukup cepat karena pada menit ke 14 (pengadukandilakukan selama 60 menit), krad sudah terbentuk. Percobaan lebih lanjut digunakanMBPIDBP 10mVmenit.
menentukan keasaman stripper yang paling optimal
Tabel 1. Stripping uranium denganpesawatpengadukpengenapsatu stage,~ [VJ = 181,450 glliter, alo = III, laju alir MBPIDBP 10 m//jam, konsentrasiakhir MBPIDBP11,3 gll don zirkonium10 ppm, rpm=1800, waktuoperasi60 menit No
Keasaman (N) 0,01
2
0,1
3
0,5
4
1,0
Timbul krad pada menit ke
dkk.
Jumlah krad (gram)
Keterangan Tidak krad
terbentuk
Prosldlng Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
Busron Masduki, dkk.
ISSN 0216 -3128
157
Tabel2. Strippinglarutanfase organikkaya(torium+ uranium)= (199,18+ 28,85)gil, rpm = 1800,alo = 1/1.
~
No
Waktu (menit)
Keasaman 1N 1\.aaar
gram/liter Th u 0 0 24,925 43,855 44,233 45,015 46,030 47,331 48,496 48,496 48,496
1 2
3 4
5 6 7
8 9 10
Tabel 3.
Keasaman 0.5 N Kadar i!:ram/liter 111 U 0 0
15,961 25,923 37,446 45,145 49,844 50,816 51,970 52,557 52,557
Keasaman 0,1 N Kadar gram/liter Th
0 13,814 13,814 13,814 13,814 13,814 13,814 13,814 13,814 13,814
u 0 0,894 1,388 1,482 2,082 2,082 2,776 4,165 4,165 4,165
Keasaman 0,01 N Kadar I!ram/liter Th 0
8,817 8,817 8,817 8,817 8,817 8,817 8,817 8,817 8,817
Ket.-
2,970 3,540 5,950 5,950 5,950 6,545 6,545 7,735 7,735
PengaruhpenambahanMBPIDBPpada pembentukankrad,pada larotan Jase organ;k [Th+U] = (199,18 + 28,85) gil, alo = I, rpm = 1800. z;rkon;um10 ppm.
Tabel 4. Pengaruhkeasamanstripper pada pembentukankrad; pada /arutanJase organik[Th + Vi = (199,18 + 28,85) gl/. alo = 1, rpm = 1800, zirkonium = 10 ppm, /aju a/ir MBPIDBP = 10 m//jam
Pada perubahan keasaman stripper, pembentukan krad mengalami perubahan. Pengamatanpada percobaan (3) disajikan pada Tabel4. Data hasil percobaan menunjukkan pembentukan krad relatif cepat daD dalam jumlah yang besar pada keasaman stripper O,lN, tetapi pembentukan krad tersebut makin cepat pada keasaman O,5N dengan berat krad relatif kecil dibandingkan pada keasaman yang lebih rendah.
Pada keasamanstripper yang lebih tinggi (IN), waktu pembentukankrad lebih cepat, dan krad menyebar keseluruh larutan sehingga menjadi larutan keruh. Hal ini sangatmenggangguproses stripping karena menutup (blokade) proses perpindahanmassa. Dengan demikian keasaman stripper yang optimum adalah O,5N. Hasil yang diperolehsesuaidengancatatan peneliti pendahulu agar pengendalianpembentukankrad pada proses
Prosldlng Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
ISSN 0216 -3128
stripping diJakukan dengan mengendalikan keasamanstripper'O).Keasamanstripper yang baik adalah0,5 N.
KESIMPULAN Uranium sebagai elemen individu dalam rase organik tidak menimbulkan krad. Pada zone stripping krad terbentuk clan sangat dipengaruhi oleh keasaman stripper. Proses stripping dalam pesawat pengaduk pengenap satu stage pada kondisi [Th] = 199,18 gll, [U] = 28,85 gIl, rpm = 1800, a/o =1, dengan stripper asam nitrat, keasaman stripper yang terbaik = 0,5N. Pada keasaman stripper = 0,5N pembentukan krad pada zone stripping dikendalikan.
CLUTHBERT, F.L. "Thorium Production Technology"Addison-Wesley Publishing Company,Inc, Massuchusetts, USA, (1958).
2.
LUNG, M., "Prospectives of the Thorium Fuel Cycle", SeminaratJRC Ispra, 2nd July, (1996). 3. HONG, L.P, "Design Procedures of Small Pebble Bed HTGR for Electric Generationin Isolated Island", Seminardan LokakaryaKe-3 Teknologi dan Aplikasi Reaktor Tempera~r Tinggi, Jakarta,(1996). 4.
RAINEY, R.H, MOORE, J.G., "Laboratory Developmentof the Acid Thorex Processfor Recovery of Thorium Reactor Fuel", Nuclear Scienceand Engineering,10,367-371,(1961).
5. DIDIEK HERHADY, R., MASDUKI, B., SIGIT, "Tinjauan Proses PemungutanBahan Bakar dari Elemen Bakar Bekas Reaktor Temperatur Tinggi", Prosiding Seminar ke-4 Reaktor Temperatur Tinggi dan Teknologi Nuklir, Jakarta,15-16Pebruari,(1999). 6. ZIMMER, E, BORCHARD, T, PRINTZ, G, "Crud Formation in the Purex and Thorex Process", Institut fur ChemischeTechnologie der NuklearenEntsorgung,der KFA Julich, W. 7.
8.
Germany BENEDICT, M, PIGFORD, T.H., "Nuclear Chemical Engineering", McGraw Hill Book Co., New York, (1981). OSIPOW,L.I., "Surface Chemistry",Reinhold Publishing Corporation,New York, Chapman & Hall, Ltd, London.
-
MASDUKI, B., MASHUDI, HERHADY, D.R., SUSIANTINI E., "Studi Pemben-tukan krad ekstraksi U- Th Dalam Satu Stage Pesawat Pengaduk Pengenap", Prosiding Pertemuan clan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar clan Ilmu Pengetahuan clan Teknologi., Nuklir, Yogyakarta, 25-26 Juli, (2000).
10. ZIMMER, Eo, GANGULY, C., "Reprocessing and Refabrication of Thorium Based Fuel", KFA, Julich, Jerman,(1987).
TANYAJAWAB
dapat
DAFfAR PUSTAKA I.
9.
Busron Masduki,dkk.
Moch. Setiadji -Penelitian pembentukankrad, mengapa dalam penelitian tidak ditambahkan unsur-unsur pembentukkrad. -Keasaman ~pper terbaik0,5 N. Saya kira pada keasamantersebutsudahcukup banyak uranium yang masuk fase air, apakah hal ini sudah diperhitungkan(analisisU padafa). Busron Masduki -Sesuai metodelogipenelitian yang.. dijelaskan pada percobaan pembentukan ditambahkan agentpembentukankradDBP. Th. Cr. -Pada Tabel2 ditunjukkanhasil stripping dengan analisisU don Th. Kadar Th don U di lase air sangattergantungala selainkeasamannya. Dwi Byantoro -Untuk uraniumsebagaielemenindividual dalam phase organik tidak menimbulkan krad. Bagaimanajika dicoba untuk individual torium, apakah juga tidak timbul krad. Untuk menghindariterjadinya krad, ada kemungkinan bisa dicoba dengan proses membran emulsi, prosesekscrubersekaligusstripping dalam satu siklus. Busron Masduki -Bila ado DBP, ado agent pembentukkrad Th atau Zr pada keasamanlkondisi tertentu, tetapi membentuk krad Th (DBP)4, ZrO(DBP)2. dengan alat apapun,hila ado agent pembentuk krad tersebutpasti terbentukkrad sesuaidengan jumlah agentpembentukkradyang ado.
Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001
