Daftar isi Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003
ISSN 1693 - 7902
LEMPUNG BERPILAR UNTUK KESELAMATAN PENGELOLAAN LIMBAH RADIOAKTIF
Husen Zarnroni, Tharnzil Las Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif (P2PLR) - BAT AN
ABSTRAK LEMPUNG BERPILAR UNTUK KESELAMA TAN PENGELOLAAN LIMBAH RADIOAKTIF. Lempung berpilar (pillared clay) dapat digunakan tidak hanya untuk balifill material dalam sistim penyimpanan limbah radioaktif, tetapi juga sangat diperlukan untuk bahan sorben dalam pengolahan limbah radioaktif aktivitas rendah dan sedang. Lempung berpilar dibuat dari bahan bentonit alam yang direaksikan dengan ZrOCh.8H20. Identifikasi lempung berpilar diukur dengan spektrometer X-Ray Fluorescence dan kemampuan penyerapan oleh lempung berpilar terhadap radionuklida Cs-137 pada konsentrasi CsCI O,OIM, 0,05~ dan 0,1 M menghasilkan nilai Kd (koefisien distribusi) berturut-turut sebesar 1619 ml/g, 1133 ml/g dan 800 ml/g. Lempung berpilar mampu menyerap radionuklida Cs-137 dalam limbah aktivitas rendah. Dan bila digunakan sebagai backfill material, tidak hanya mampu menahan aliran air tanah, tapi juga mampu menahan lepasnya radionuklida ke lingkungan sehingga terjamin keselamatan penyimpanan limbah radioaktif Kata kunci : bentonit, pertukaran ion
ABSTRACT PILLARED CLAY FOR THE SAFETY OF RADIOACTIVE WASTES MANAGEMENT. Pillared clay (PILC) is used not only as backfill material in radioactive waste disposal system, but also as an important inorganic-sorbent for treatment of low-and intermediate-level radioactive wastes. PILC is made from natural bentonite and treated by ZrOCh.8H20. The identification of PILC was measured by XRay Fluorescence Spectrometry and the ion-exchange capacity against Cs-137 in simulated waste containing Cs-13 7 in carries of 0,0 1M, 0,05M and 0, I M CsCI, resulted in the distribution coefficient, Kd was of 1619 ml/g, 1133 ml/g and 800 ml/g, respectively. These results were showed that the PILC could also be useful for not only blocking the water movement, but also adsorbting of nuclide to protect the radionuclide migration into the environment. Keywords: bentonite, ion exchanger
221
Seminar Tahunan Pengawasan Pcmanfaatan Tcnaga Nuklir - Jakarta, II Dcsembcr
2003
ISSN
1693- 7902
PENDAHULUAN Minerallempung
telah dikenal semenjak 200 tahun yang lalu, tetapi masyarakat
lebih mengenal manfaat lempung bahan baku pembuatan keramik. Mineral lempung, bila dicampur dengan air akan membentuk pasta yang dapat dibentuk dalam berbagai rupa, bila dipanaskan akan menjadi keras. Bentonit berasal dari abu gunung api (vulcanic ash) yang membeku dalam berbagai kondisi hidrotermal, sehingga
bentonit
suatu lokasi dengan warna dan tekstur yang sama mungkin berbeda dalam komposisi kimia
dengan bentonit yang diperoleh dari tempat lain yang disebabkan
karena
kombinasi lempung material yang berupa partikel halus dengan berbagai impuritis. Hal ini telah menyebabkan dikenalnya berbagai jenis bentonit seperti bentonit Wyoming, Amerika, bentonit Suray Inggris dan bentonit Kunipia Jepang dan bentonit Trenggalek Jawa Timur (6). Bentonit
di bidang Teknologi
nuklir biasanya dimanfaatkan
sebagai
bahan
adsorbent dan sebagai bahan buffer material (bahan isian) pada penyimpanan limbah tanah dangkal maupun penyimpanan tanah dalam. Bentonit sebagai bahan isian harus mempunyai sifat yang sangat bagus sehingga dapat mengurangi migrasi radionuklida dalam tanah. Bentonit mempunyai sifat mudah swelling apabila kena air. Bentonit yang mudah mengalami
swelling kurang bagus apabila digunakan
sebagi bahan isian.
Swelling pada bentonit dapat dihindarkan dengan dibuat pilar diantara dua lapisan pada bentonit. Bentonit yang sudah terpilar dikarakterisasi untuk dapat digunakan sebagai bahan adsorbent, molecular sieving dan katalis. Pada struktur zeolit atom Al dan Si berkoordinasi dengan seluruh atom oksigen dalam bentuk tetrahedra silika atau alumina sedangkan atom Al akan bermuatan negatif dan dinetralisir oleh logam alkali atau alkali tanah untuk mencapai struktur yang stabil. Inilah yang membedakan zeolit dengan bentonit yang adalah senyawa alumino silikat dengan struktur lapisan (layer),
DASAR TEOR! Mineral lempung yang banyak diteliti adalah jenis kaolinit (Si4AI40IO)(OH)s, monmorillonit
dan illit
mempunyai
(Sis Al4 020)(OHkn
H20. Struktur
kristal
lempung adalah dua dimensi lapisan yaitu atom silika (lapisan silika) bentuk tetrahedra dan atom aluminium (lapisan AI) dalam bentuk oktahedra. Tetrahedra silika terikat
222
Seminar Tahunan Pengawasan
[SSN 1693 - 7902
Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003
secara hexahedra Si406(OH)4 sedangkan oktahedra Al berikatan secara Ah(OH)4 yang berikatan secara Van der Waals (fisik) membentuk lapisan alumino-silikat
karena
kondisi terjadinya bentonit, memungkinkan terjadinya substitusi Si oleh Al (bentuk tertrahedra),
menyebabkan
mineral
lempung
kekurang
muatan
-
(negatif)
yang
dinetralisir oleh logam alkali dan alkali tanah. Ion logam tersebut berada diantara lapisan,
sehingga
dapat
dipertukarkan
dengan
ion lain
menyebabkan
bentonit
mempunyai sifat penukar ion. Monmorillonit
dan illit mempunyai tiga lapisan struktur terdiri dari lapisan Si,
lapisan Al dan lapisan Si, diantara lapisan ini terisi oleh molekul air yang dan logam alkali serta alkali tanah menyebabkan pergeseran jarak atom (swelling) sebagaimana terlihat pada Gambar 1. Lapisan terse but akan bergabung dan sudut kisi tetrahedral silika membentuk lapisan dengan lapisan hidroksil dari oktahedral, sehingga terbentuk 3 lapisan silikat
"Lempung mineral" yaitu tetrahedral (Si)- oktahedral (AI) - tetrahedral
(Si). Atom-atom
yang terikat pada masing-masing
lapisan struktur montmorillonit
memungkinkan air akan memasuki antara unit lapisan, sehingga kisi akan mengembang.
Lapisan terahedral
--
Lapisan Oktahedra
Posisi
interlayer --
00 @
~
Kation(Ca2+ .Na2+)
+nH20
0
SIAl AI.Fe.Mg OH
Gambar 1. Kristal struktur montmorillonite (Grim,1968)
223
ISSN 1693 - 7902
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Dcscmber 2003
Montmorillonit memiliki struktur yang membentuk lapisan-Iapisan. Ruang antar lapisan-Iapisan tersebut biasanya ditempati oleh molekul air ataupun kation-kation yang dapat dipertukarkan. Struktur yang demikian menyebabkan bentonit tidak begitu tahan terhadap perlakuan suhu dan akan mengalarni kerusakan struktur pad a suhu 650°C. Bentonit mudah mengalarni swelling apabila kontak dengan air. Guna menghindari keduanya struktur yang berupa lapisan tersebut dapat diubah menjadi suatu bahan yang memiliki struktur pori dua dimensi, yaitu dengan membentuk pilar-pilar antara lapisanlapisannya. Bentonit alarn dan bentonit berpilar (Garnbar 2). Pembentukan
pilar ini
menyebabkan bentonit tidak mengalarni swelling, luas permukaannya menjadi besar dari 100 m2/grarn menjadi sekitar 250 m2 /grarn dan mempunyai poros yang sarna. Bahan yang digunakan sebagai bahan pilar biasanya inorganic poly cations bentuk metal organic. Pillared Interlayer Lempung dibuat dengan beberapa senyawa inorganic carnpuran hydroxy diantaranya, hydroxy-AI, hydroxy-Zr, hydroxy-Ti, hydroxy-Ni dan hydroxy-Fe diutarnakan yang bermuatan positif.(2)
Dehydloflon-
:-----
., ' ..
<)
(;)
~\;
()
c:::>
@@ @
~--:.
c:::>
Calcination
()
()
C)
-.--a-.-B-e:=- ·c::::" Hydration
Pillared Clay
Dehyd ration-<:a Ie ina tion .•.
_1.'1_ .,." _
c:::>
--
~
Cation
_
c:::>
Pillar
~·.I_ '~\,
Clay layer
b. Bentonit berpilar Hydrated
cation
Gambar 2. Efek swelling pada bentonit dan bentonit berpilar(S)
224
Seminar Tahunan Pengawasan
ISSN 1693 - 7902
Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desember 2003
TAT A KERJA Bentonit yang digunakan jenis Ca bentonit dengan ukuran 100 mesh yang sudah dicuci dengan bersih dan dikeringkan pada suhu 90°C. Zirkonium yang digunakan dari Merck dalam bentuk zirconyl chloride padat (ZrOCh.8H20).
Pembuatan
bentonit
berpilar dilakukan dengan menambahkan larutan polioksokation dari zirconyl chloride (ZrOCh.8H20)
dalam air pada suhu 90°C serlama 24 jam. Sebanyak 33 gram bentonit
yang sudah dikeringkan dilarutkan dalam air 1000 ml yang sudah mengandung zirconyl chloride (ZrOCh.8H20)
masing-masing sebanyak 0,01 M, 0,05 M, O,IM. Campuran
distirer selama 24 jam dan dipanaskan pada suhu 90°C. Setelah 24 jam campuran di saring dan dicuci sampai bebas khlor dengan air demin, untuk menentukan sudah bebas khlor atau belum digunakan 0, I M AgN03
.
Bentonit yang sudah terpilar dikeringkan
dalam oven pada suhu 110°C. (Gambar 3) (2). Bentonit yang sudah terpilar selanjutnya dikarakterisasi dengan X ray flouresensi. Bentonit awal dan bentonit berpilar dibuat dalam bentuk matrik gelas dengan cara ditambahkan
lithium tetra borate kemudian dipanaskan pada suhu sekitar 1250°C
sampai terbentuk Scintillation
gelas. Analisis serapan cesium-I 37 menggunakan
Analyser (LSA).
Larutan yang
alat
Liquid
mengandung Cs-137 sebanyak 20 ml
dimasukkan dalam vial polyetilene 25 ml yang berisi 0.1 gram bentonit berpilar. Sampel diambil 10 ml kemudian di cacah dengan LSA.[7] Koefisien distribusi dengan rumus:
Kd = (Ao - At) V At x W
Ao = Aktivitas radioaktiv awal At = Aktivitas setelah kesetimbangan V = Volume larutan awal W = Berat bentonit
225
(I)
ditentukan
ISSN 1693 - 7902
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desembcr 2003
Sedangkan untuk menentukan efisiensi penyerapan ditentukan dengan rumus: Ef = Ao - At xI 00% Ao
(2)
Ef = Efisiensi penyerapan Ao = Aktivitas radioaktiv awal At = Aktivitas setelah kesetimbangan
La ruta n ZrOC12.8H20 O,lM
Suspensi bentDnite Cm0 ntm 0 rillo nite)
~I
Hidrolisa dengan pengadukan selama 24 jam '"'
Polioksokation La ruta n
•
I
I .•.
I Pengadukan
24 jam
I
I
Pem isa han denga n filtra si/se ntrifug a si
Pengeringan pad a suhu 50-120 C I ! .•.
Ka lsina sina si pad a suhu 500 C
Gambar 3. Diagram alir preparasi
montmorillonit
r nitl Montm b e rpolIa rillo
berpilar
HASIL DAN PEMBAHASAN HasH analisa penyerapan Cesium-I37
oleh benton it berpilar ditunjukkan dalam
Gambar 4. penyerapan dapat mencapai kesetimbangan setelah waktu kontak 1-2 jam dengan efisiensi penyerapan 80 % .
226
Seminar Tahunan Pengawasan
ISSN 1693 - 7902
Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003
100
L
~
80
c 60 ,9! 40'iij
1/1
10: UJ
20o
20
o
40
60
80
Waktu kontak (jam)
Gambar 4. Hubungan waktu kontak dengan efisiensi penyerapan Efisiensi penyerapan pada bentonite berpilar 0,01 M dicapai maksimum pada pH 3 dengan efisiensi sebersar 89 % (Gambar 5) dan koefisien 1619ml/g,
distribusi
(Kd) sebesar
~ 100
c [
80
~ >-
60
a; Q,
40
'iij c
20-
Q)
'iij 10:
0 -,
0
UJ
2
4
6
8
pH
Gambar 5. Hubungan pH dengan efisiensi penyerapan bentonit berpilar 0,01 M Efisiensi penyerapan pada bentonit berpilar 0,05 M dicapai maksimum pada pH 1 dengan efisiensi sebersar 85 % (Gambar 6) dan koefisien distribusi sebesar 1133 ml/g, c:
[ ~ ~ c: _
~ ~ .~ .~ CII
:n
100 80 60 40 20 0
.... 0
2
4
6
-. 8
10
pH
Gambar 3. Hubungan pH dengan efisie~si penyerapan bentonit berpilar 0,05 M
227
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan
Tenaga Nuklir - Jakarta, 11 Oesember 2003
ISSN 1693 - 7902
Efisiensi penyerapan pada bentonit berpilar 0,1 M dicapai maksimum pada pH 3 dengan efisiensi sebesar 80 % (Gambar 4) dan koefisien distribusi sebesar 800 mUg. Q. c
>t;::Q.
-
2 6 4 60 8 0 010 ~ C1 100 80 4IV 41 W 20 'iij ~ 41 c 40 '0
I!
pH
Gambar 6. Hubungan pH dengan efisiensi penyerapan bentonit berpilar 0,1 M Bentonit berpilar dari 0,01 M, 0,05 M dan 0,1 M zircon memberikan hasil yang cukup baik dalam penyerapan meskipun lebih rendah dari bentonit mumi karena sebagian ruangan bentonit terisi oleh zircon. Semakin tinggi konsentrasi zircon yang terserap
dalam bentonit menyebabkan
pula penurunan
serapan bentonit
terhadap
cesium-137. Kenaikan jumlah zircon di dalam bentonit tidak mempengaruhi perbadingan Si/Al dalam bentonit. Pada bentonit mumi perbandingan bentonit berpilar perbandingan
Si/AI adalah 3.6 sedangkan dalam
Si/AI adalah 3.7. Sebagai perbandingan
Lempung
standar menunjukkan perbandingan Si/Al adalah 2,62 sedangkan perbandingan
Si/Al
adalah 2,84 untul Zr-PILC. Perbandingan ini menunjukkan secara struktur bentonit tidak men galami perubahan juga menunjukkan Ca2+ dan Na+ yang menurun jumlahnya demikian juga pada lempung standar dan Lempung-PILC banyak kation-kation (Ca 2+, N a+) yang ada dalam layer tergantikan dengan zirkon. Zirkon yang berada dalam bentonit membentuk pilar diantara dua lapisan sehingga bentonit mempunyai poms yang tetap. KESIMPULAN Bentonit berpilar mempunyai kelebihan yaitu porosnya relatif seragam dan tidak mengalami swelling. Besar koefisien distribusi bentonit berpilar berturut-turut mUg
(gb. 4), 1133 mUg (gb. 5) dan 800 mUg (gb.6).
228
1614
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan
Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desem~r
ISSN 1693 - 7902
2003
DAFT AR PUST AKA 1.
A. Dyer, N.D. James
and N.l
Terrill,
Uptake of Cesium
and Strontium
Radioisotopes onto Pillared Clays (1998); 2.
A. Dyer, T. Gallardo and C.W. Roberts, Preparation
and Properties of Clays
Pillared with Zirkonium and Their Use in HPLC Separation (1989); 3.
J.T. KLOPOGGE,
Synthesis of Smectite and Porous Pillared Clay Catalyst
(1997); 4.
H.Y. Zhu, E.F. Vansant and of Montmorillonite
lA.
Xia and G.Q.Lu, Porosity and Thermal Stability
Pillared with Mixed oxides of Lanthanum,
Calcium and
Aluminium (1996); 5.
E.F. Vansant, Chemical Modification of oxide Surfaces, 1999;
6.
Buku Laporan Tahunan Pertambangan
Departemen Pertambangan dan Energi,
Tahun 1991-1995, diolah oleh PPTM, agustus 2000; 7.
Thamzil Las, Use of Natural Zeolites for Nuclear Waste Treatment, 1989.
DISKUSI
Pertanyaan (Karnoyo, P2RR - BATAN) : Suhu panas struktur bentonit 650 °c, pada suhu berapa swelling terjadi ? Jawaban (Husein Zamroni, P2PLR - BATAN) : Bentonite
mengalami
sucelling jika kontak dengan air. Proses swelling ini tidak
tergantung dari suhu tinggi.
229
