KARAKTERISASI FAKTOR HAMBAT LEMPUNG KASONGAN TERHADAP MIGRASI NUKLIDA URANIUM

PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 27 Juli 2011

KARAKTERISASI FAKTOR HAMBAT LEMPUNG KASONGAN TERHADAP MIGRASI NUKLIDA URANIUM Sunardi, Endro Kismolo, Suparno Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan –BATAN, Babarsari Yogyakarta 55281 E-mail :[email protected]

ABSTRAK KARAKTERISASI FAKTOR HAMBAT LEMPUNG KASONGAN TERHADAP MIGRASI NUKLIDA URANIUM. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variabel fisis lempung Kasongan dan fluktuasi kecepatan alir linear terhadap karakteristik migrasi seperti Koefisien distribusi(Kd) Faktor retardasi R, dan Kecepatan migrasi Vr,. Percobaan dilakukan secara diam dalam kolom berisi lempung Kasongan pada kondisi jenuh air, kemudian dialiri larutan Uranil Nitrat dengan konsentrasi = 300 ppm. variasi Ukuran butir lempung Kasongan divariasi –20+40; 40+60; -60+80; -80+100; -100+200 dan –200+325 mesh dan suhu pemanasan 28;50; 100; 150; 200; 250 oC. Aktivitas Nuklida uranium dalam efluen (Ct) dianalisis dengan alat spektrofotometer. Dari percobaan menunjukkan bahwa ukuran butir lempung Kasongan –100+200 mesh memberikan karakteristik migrasi yang terbaik dengan Kd =40,6068 cm3/g, R = 65,3836 dan Vr = 2,5286x10 -4 cm/detik. Dan pada pemanasan 50 oC memberikan nilai Kd = 57,1063 cm3/g, R = 89,8231 dan Vr = 2,0297x10 -4 cm/detik. Kata Kunci: Karekterisasi Lempung Kasongan.

ABSTRACT CHARAKTERISATION BARIER FACTOR OF KASONGAN CLAY ON THE MIGRATION OF URANIUM NUCLIDE. Theaim of this reslasth are to know the phyonal influence of Kasongan clay and liniary speed flow fluctuation on the distribution coefition (Kd), retardation factor (R), migration factor (Vr). The experiement by fixed bed metarde in the coloumn with speed Kasongan clay fully water. Uranieum nitride was flowed on concentration = 300 ppm. The side of Kasongan clay on – 20 + 40 ; -4- + 60 ; - 60 + 80 ; - 80 + 100 ; - 100 + 200 and –200+325 mesh, and temperature of heating on 28;50 ; 100 ; 150 ; 200 ; 250 0C. Activity uranieum nitride in the efluen to andyred by spectro photometer. From the experiement war thowed ar the sise of Kasongan clay – 100 + 200 mesh, war giving the best migration characterisasion with the Kd = 40, Cm3/g, R = 65,3836 and Vr = 2,5286 x 10-4Cm/detik And effeot of heating on 50 0C war giving valve of Kd = 57,1063 cm3/g, R = 89,8231 dan Vr = 2,0297x10 -4 cm/skon. Keywords: Charakterisation Kasongan Clay.

PENDAHULUAN

L

empung Kasongan adalah bahan mineral alam yang mempunyai kapasitas pertukaran kation dan plastisitasnya cukup tinggi. Konduktivitas hidrauliknya rendah dan tidak mudah tersuspensi dalam air. Rendahnya konduktivitas hidraulik lempung Kasongan dimaksudkan untuk Buku II hal 258

menghambat intrusi air tanah ke wadah limbah, dengan demikian akan menunda korosi wadah limbah. Ukuran partikel lempung Kasongan berpengaruh terhadap karakteristik fisis lempung Kasongan seperti porositas (ε), bulk density (ρb), konduktivitas hidraulik (K), dan kecepatan linear Karakteristik fisis lempung superficial (Vw).

ISSN 1410 – 8178

Sunardi, dkk


Kasongan, peristiwa kimia fisis seperti adsorpsi dan pertukaran ion dalam bahan urug lempung Kasongan berpengaruh pada kemampuan menghambat migrasi radionuklida. Kemampuan media padat berpori untuk menghambat migrasi radionuklida biasanya dinyatakan dengan faktor retardasi (R). Faktor retardasi mempunyai peran penting untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja penghalang rekayasa (engineered barrier) sistem penyimpanan limbah radioaktif. TEORI Peristiwa kimia fisis seperti absorpsi dan pertukaran ion dalam bahan urug lempung Kasongan biasanya dinyatakan dengan koefisien distribusi (Kd), yaitu perbandingan distribusi solut dalam media sorpsi dengan distribusi solut dalam cairan pada keadaan setimbang. Penentuan koefisien distribusi solut pada proses diam dalam kolom berisi lempung dinyatakan dengan persamaan (1):

Kd =

t e . Q. Co − t i . Q. ∑ Ci t e . Q . t i . Q. ∑ Ci ρb . v b

ρb Kd ε

(2)

Vw R

(3)

Sedangkan penentuan Vw dapat didekati dari kecepatan linear air tanah berdasarkan persamaan (6) :

Vw =

K ∆h . ε ∆L

(4)

dengan K = permebilitas atau konduktivitas hidraulik (cm/detik), ∆h/∆L = gradien hidraulik, ∆h = head loss (cm), ∆L = tinggi unggun partikel padat dalam kolom (cm).

Sunardi, dkk.

V.L A. t . h

(5) 3

dengan V = volume efluen dalam waktu t (cm ), L = tinggi unggun partikel padat dalam kolom (cm), A = luas penampang kolom terisi partikel padat (cm2), t = waktu penampungan V (detik), h = head loss (cm). Migrasi radionuklida pada daerah aliran jenuh lebih mudah dianalisis dan diprediksi daripada Migrasi pada daerah aliran tak jenuh (3). radionuklida dipengaruhi oleh konveksi dan dispersi. Konveksi adalah gerakan radionuklida yang terlarut dengan kecepatan air tanah dalam pori rerata. Dispersi adalah merupakan kombinasi difusi molekuler yang terjadi karena adanya gradien konsentrasi dan difusi hidrodinamik yang terjadi karena adanya gerakan solut dalam solven melalui tortuositas atau gabungan pathway mikroskopis yang berbeda yang disebabkan karena pengadukan atau aliran air tanah. TATA KERJA

dengan R = Faktor retardasi, ε = porositas lempung Kasongan. Hubungan antara kecepatan migrasi radionuklida (Vr) dengan kecepatan linear air tanah (Vw) menggunakan persamaan (5) :

Vr =

K=

(1)

dengan te = waktu kesetimbangan pada saat Ct/Co = 1 (detik), Q = debit aliran (ml/detik), ti = interval waktu alir (detik), ΣCi = akumulasi konsentrasi solut dalam efluen sampai Ct = Co (cpm/ml), ρb = rapat massa curah (bulk density) lempung Kasongan (g/ml), vb = volume unggun lempung Kasongan dalam kolom (cm3). Faktor retardasi media berpori dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (2,3,4) :

R = 1+

Permeabilitas dapat ditentukan secara constant head dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

Bahan 1. Lempung Kasongan Bantul Yogyakarta. 2. Larutan uranium nitrat UO2(NO3)2.6H2O 300 ppm. Peralatan 1. Oven, 2. penggerus, 3. pengayak, 4. neraca analitis, 5. peralatan gelas, 6. buret, 7. tabung infus, 8. kolom gelas, 9. penggaris, 10. statip, 11. stopwatch, 12. transpipet, 13. lampu pengering, 14. pengaduk listrik, 15. flowmeter, 16. pompa dosis, 17. spektrofotometer. Cara Kerja :

1. Penggerusan dan pengayakan lempung a.

Sruweng Bongkahan kecil lempung Kasongan dikeringkan dalam oven, kemudian digerus sampai menjadi serbuk.

ISSN 1410 – 8178

Buku II hal 259


b.

Serbuk diayak dengan ayakan standar ASTM ISO 565-R20 disusun dari atas ke c.

2. a.

b. c.

Penentuan porositas lempung Kasongan Kolom gelas yang berisi lempung Kasongan dialiri akuades volume unggun Vu = pengurangan akuades dalam buret. Vp = volume pori-pori partikel dan rongga antar partikel lempung Kasongan. Porositas lempung Kasongan (ε) ditentukan dengan persamaan : ε = Vp / Vu . (7)

3.

Penentuan rapat massa curah lempung Kasongan a. Akuades dialirkan dari buret ke dalam wadah silindris sampai penuh. b. Serbuk lempung Kasongan dimasukkan ke dalam wadah. Vu = volume wadah Mk = berat wadah Mk dan Mb = berat wadah + lempung c. Rapat massa curah lempung Kasongan (ρb) ditentukan dengan persamaan : ρb = (Mb - Mk) / Vu. (8) 4. a.

Penentuan konduktivitas hidraulik secara constant head Kolom gelas dengan diameter dalam d = 1,33 cm dilengkapi pipa overflow diisi lempung

b.

c.

d. 5. a.

b.

bawah yaitu -20+40; -40+60; -60+80; 80+100; -100+200 mesh dan –200+325 mesh. Mesin pengayak dihidupkan selama 30 menit dengan ukuran butir mesh 100 tinggi L = 4 cm. Akuades dialirkan dari penampung T dengan tinggi h = 95,6 cm sampai volume V = 25 cm3 dan waktu dicatat (t) = detik. Dilakukan langkah percobaan seperti di atas untuk ukuran mesh -20+40; -40+60; -60+80; 80+100 ; -100+200 dan –200+325 mesh . Dilakukan perhitungan permeabilitas dengan menggunakan persamaan (5). Penjenuhan lempung Kasongan dalam kolom Dialirkan akuades dari buret ke dalam kolom berisi lempung Kasongan dengan arah aliran dari bawah kolom. Langkah di atas diteruskan sampai lempung Kasongan dalam kolom jenuh.

HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pengaruh variasi ukuran butiran terhadap karakteristik (ρ,ε,R,K,Vr). Karakteristik fisis lempung Kasongan pada variasi ukuran butir -20+40; -40+60; -60+80; -80+100 -100+200 dan –200+325 mesh. disajikan dalam Tabel 1.

Tabel 1 Pengaruh ukuran butir lempung Kasongan terhadap karakteristik fisis lempung Kasongan. Ukuran Butir

Kd (ml/gr) Koef. Distr

ε Porositas

R F. Retardas

K (cm/det) Permeabilit

Vr(cm/det) Kecep rad

-20+40 -40+60 -60+80 -80+100 -100+200 -200+325

3,7478 5.8459 8,9626 15,2390 40,6068 40,6068

0,5657 0,5625 0,5500 0,5125 0,5027 0,5026

6,4420 9,9781 15,7419 26,3756 63,3814 63,3814

7,8068.10-3 6,2136.10-3 4,8554.10-3 3,3069.10-3 1,5312.10-3 1,5311.10-3

4,9683.10-3 3,1429.10-3 1,9849.10-3 1,1297.10-3 2,5286.10-4 2,5285.10-4

Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa lempung Kasongan dengan ukuran mesh yang semakin kecil, maka porositasnya semakin besar. Hal ini dapat dipahami karena jumlah rongga antar partikel dalam volume unggun tertentu bertambah besar. Semakin kecil ukuran butiran lempung Kasongan menyebabkan ukuran pori antar butiran menjadi lebih kecil. Pori antar butiran saling berhubungan satu dengan yang lain membentuk tortuositas yaitu saluran kecil (kapiler) yang berbelit dan berkelok. Dengan semakin kecil ukuran butiran lempung Kasongan menunjukkan bahwa permeabilitas dan kecepatan alir superficial semakin kecil. Hal ini disebabkan karena semakin

Buku II hal 260

sempitnya kapiler yang terbentuk dari rongga antar pori yang saling berhubungan tersebut. Dari Tabel 1 menunjukkan bahwa lempung Kasongan dengan ukuran butiran yang semakin kecil, maka koefisien distribusi (Kd) semakin besar. Hal ini disebabkan luas bidang kontak pada permukaan partikel semakin besar dengan bertambahnya jumlah partikel untuk setiap volume unggun lempung Kasongan dalam kolom, yaitu ditandai dengan semakin besar nilai rapat massa curah (bulk density) seperti pada Tabel 1. Pengaruh ukuran butiran lempung Kasongan terhadap karakteristik migrasi Nuklida uranium antara lain dapat diwakili oleh beberapa besaran

ISSN 1410 – 8178

Sunardi, dkk


yang mempengaruhinya, yaitu besaran dari mekanisme sorpsi yaitu koefisien distribusi Kd, ditunjukkan dalam Tabel 1 sebagai berikut : Kontak atau ikatan antara Nuklida uranium dengan partikel lempung Kasongan terjadi pada permukaan, ujung dan kisi-kisi kristal lempung Kasongan. Tertariknya kation Nuklida uranium pada lempung Kasongan karena adanya muatan negatif pada partikel lempung Kasongan yang disebabkan oleh substitusi Si4+ oleh Al3+pada lapisan tetrahedral dan Al3+oleh Mg2 pada lapisan oktahedral. Ukuran butiran lempung Kasongan yang semakin kecil berpengaruh cukup besar terhadap faktor retardasi R. Hal ini disebabkan oleh pengaruh kemampuan sorpsi dan filtrasi lempung Kasongan semakin besar. Sedangkan pengaruhnya terhadap kecepatan migrasi dan koefisien dispersi hidrodinamik cukup kecil. Ternyata untuk lempung Kasongan ukuran 100+200 mesh memberikan harga faktor retardasi (R) yang paling besar yaitu 2406,25, sehingga kecepatan radionuklida paling kecil. Sedangkan pada ukuran butir yang lebih kecil yaitu ukuran butir –200+325 hasilnya tetap sama, sehingga

besaran dari mekanisme sorpsi dan filtrasi yaitu faktor retardasi R, dan kecepatan migrasi Vr. yang dipilih lempung Kasongan ukuran butir –100+200 karena pengerjaannya lebih mudah. 2. Pengaruh variasi suhu terhadap karakteristik fisis lempung (ρ,ε,R,K,Vr). Semakin besar suhu pemanasan maka porositas akan semakin besar, Sedangkan koefisien distribusi akan semakin kecil. Hal ini disebabkan karena dengan adanya porositas yang besar maka kecepatan cairan yang melewati lempung akan semakin besar sehingga banyak radionuklida yang lolos atau tidak terserap oleh lempung. Karena mengecilnya koefisien distribusi maka dengan sendirinya faktor retardasi akan semakin kecil juga, Dengan menurunnya koefisien distribusi maka kecepatan radionuklida akan bertambah besar. Untuk mengetahui pengaruh pemanasan terhadap sifat-sifat lempung Kasongan, maka suhu pemanasan divariasi suhunya pada suhu: Suhu kamar (28 oC), 50, 100, 150, 200 dan 250 oC. Adapun hasil dari percobaan tersebut tercantum pada Tabel 2.

Tabel 2 Pengaruh pemanasan lempung Kasongan terhadap karakteristik fisis lempun Kasongan. Suhu oC Pemanas

28 50 100 150 200 250

K (cm/det) Permeabilit 1,7978.10-3 1,6964.10-3 1,8442.10-3 1,9192.10-3 1,9404.10-3 1,9992.10-3

Vw(cm/det) K. air tanah

1,99343.10-2 1,8232.10-2 2,1128.10-2 2,3494.10-2 2,8316.10-2 2,9508.10-2

Dari hasil penelitian menunjukan bahwa Semakin besar suhu pemanasan maka porositas akan semakin besar, Sedangkan koefisien distribusi akan semakin kecil. Hal ini disebabkan karena dengan adanya porositas yang besar maka kecepatan cairan yang melewati lempung akan semakin besar sehingga banyak radionuklida yang lolos atau tidak terserap oleh lempung. Karena mengecilnya koefisien distribusi maka dengan sendirinya faktor retardasi akan semakin kecil juga, Dengan menurunnya koefisien distribusi maka kecepatan radionuklida akan bertambah besar. Dari tabel 2 menunjukan bahwa suhu 500C memberikan hasil terbaik dengan menghasilkan Permeabilitas (K) = 1,6964.10-3 cm/detik, permebilitas air tanah (Vw) = 1,8232.10-2, Porositas (ε) = 0,5000, Faktor Retardasi (R) = Sunardi, dkk.

ε Porositas 0,5050 0,5000 0,5050 0,5780 0,6250 0,6250

R F. Retardas

Kd (ml/gr) Koef. Distr

88,9325 89,8231 68,9080 63,5013 53,4511 34,8121

56,2254 57,1063 43,8592 46,3821 41,4384 34,8121

89,8231, Koefisien Distribusi (Kd) = 57,1063 ml/gr, sedangkan apabila tidak dipanaskan (suhu kamar 280C) hasilnya kurang baik hal ini dikarenakan sifat lempung yang belum stabil, begitu juga apbila suhunya dinaikan lebih dari 500C hasilnya juga kurang baik. KESIMPULAN Dari hasil penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Ukuran partikel lempung Kasongan berpengaruh cukup besar terhadap permeabilitas (K), kecepatan linear superficial air (Vw), dan faktor retardasi untuk radionuklida Nuklida uranium.

ISSN 1410 – 8178

Buku II hal 261


2.

3.

4.

5.

6.

Lempung Kasongan hasil saringan (-100 + 200 mesh) memberikan karakteristik migrasi yang terbaik dengan Kd =40,6068 cm3/g, R = 65,3836 dan Vr = 2,5258x10 4 cm/detik. Lempung Kasongan ukuran butir -200 + 325 mesh hasilnya sama dengan – 100+200 mesh tetapi pengerjaannya lebih sulit sehingga dipilih lempung Kasongan –100+200 mesh yang pengerjaannya lebih mudah. Akibat pemanasan terhadap lempung Kasongan akan menurunkan faktor retardasi. Pada pemanasan 50 oC memberikan hasil terbaik yaitu dengan harga Kd = 57,1063 cm3/g, R = 89,8231 dan Vr = 2,0297x10 4 cm/detik. Pada suhu kamar 28 oC (tidak dipanaskan) dan jika dipanaskan lebih dari 50 oC hasilnya kurang baik.

DAFTAR PUSTAKA

1. BAESTLE, 2.

3.

4.

5.

6.

L., Physicochimie de la Migration de Cations dans le Sol, Euratom Eur 141 f, 1962. AOKI, M.M.M, TAKIZAWA, M. and TAKAHASHI, M., Ion Migration Through Lempung Sruwenge/Zeolite and Lempung Sruwenge/Quartz Sand Mixture, Waste Management 2, 495-501 (1984). SCHNEIDER, K., Site Investigation for Repositories for Solid Radioactive Wastes in Shallow Ground, Technical Report Series No. 216, Vienna (1982). CHAMP, D.R., MOLTYANER, G.L., YOUNG, J.L. and LAPCEVIC, P., A Downhole Column Technique for Filed Measurement of Transport Parameter, AECL8905 (1985). MORGAN, J.M., JAMISON, D.K. and STEVENSON, J.D., Ground Disposal of Radioactive Waste Conference 2, 17-64, 303321, AECL TID-7628 (1962). SASAKI, N., YUI, M., HARA, K., ISHIKAWA, H. and TSUBOYA, T., Studies on Material Properties and Structural Mechanics of Engineered Barrier for HLW Geological Isolation, 138, 189-201 (1992).

TANYA JAWAB Muhamad Rosid  Hasil terbaik pada suhu 500C bagaimana dengan suhu yang lain? Sunardi  Pada suhu kamar 280C (suhu kamar) hasilnya kurang baik karena belum adanya kesetabilan lempung, sedang kan pada suhu diatasnya yaitu 100, 150, 200 dan 2500C hasilnya juga kurang baik karena Semakin besar suhu pemanasan maka porositas akan semakin besar, Sedangkan koefisien distribusi akan semakin kecil. Hal ini disebabkan karena dengan adanya porositas yang besar maka kecepatan cairan yang melewati lempung akan semakin besar sehingga banyak radionuklida yang lolos atau tidak terserap oleh lempung. Hari Prayitno  Mengapa didalam judul makalah anda menggunakan istilah lempung, padahal ada istilah baku yaitu tanah liat? Sunardi  Makalah ini sudah dikoreksi beberapa orang tim KPTF dan ketua KPTF tidak ada koreksi tentang istilah lempung, karena lempung sudah lazim digunakan didalam bahasa Indonesia dan didalam penulisan-penulisan ilmiah dan lebih popular disbanding istilah tanah liat. Wijiono  Hasil terbaik ukuran butir mesh – 100 + 200 bagaimana ukuran butir yang lain Sunardi  Ukuran butir mesh -20+40; -40+60;-60+80; -80+100 hasilnya kurang baik karena ukuran butiran yang semakin kecil, maka koefisien distribusi (Kd) semakin besar. Hal ini disebabkan luas bidang kontak pada permukaan partikel semakin besar, sedangkan ukuran butir mesh –200 + 325 hasilnya sama ukuran butir mesh – 100 + 200 tetapi pengerjaan ukuran butir mesh –200 + 325 lebih sulit dan lebih lama disbanding dengan pengerjaan ukuran butir mesh – 100 + 200 yang lebih mudah dan lebih cepat .

Buku II hal 262

ISSN 1410 – 8178

Sunardi, dkk

KARAKTERISASI FAKTOR HAMBAT LEMPUNG KASONGAN TERHADAP MIGRASI NUKLIDA URANIUM

Recommend Documents