Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
PENGARUH pH, KEKUATAN ION DAN CFe(II) PADA INTERAKSI ANTARA Fe(II) DENGAN ASAM HUMUS TERHADAP KESELAMATAN LINGKUNGAN FASILITAS PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF Budi Setiawan Pusat Teknologi Limbah Radioaktif – BATAN, Serpong
ABSTRAK PENGARUH pH, KEKUATAN ION DAN CFe(II) PADA INTERAKSI ANTARA Fe(II) DENGAN ASAM HUMUS TERHADAP KESELAMATAN LINGKUNGAN FASILITAS PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF. Asam humus yang ada di air tanah diperkirakan mempengaruhi migrasi radionuklida dengan membentuk komplek koloidradionuklida terlarut. Meningkatnya migrasi radionuklida ke lingkungan menyebabkan tingkat keselamatan lingkungan di sekitar fasilitas penyimpanan limbah berkurang. Untuk mempelajari interaksi antara radionuklida dan asam humus, pembentukan komplek Fe(II) dengan asam humus Aldrich telah diteliti dengan cara pertukaran ion. Untuk mengevaluasi pengaruh komposisi yang heterogen dan sifat polielektrolit dari asam humus, maka pembentukan komplek Fe(II) dengan asam lemah poliakrilik yang homogen (BM=90000 Dalton) juga dilakukan dan pengaruhnya terhadap pH, kekuatan ion dan konsentrasi ion logamnya akan dibandingkan. Dengan mendefinisikan konstanta pembentukan komplek sebagai βα = [ML]/([M][R]), dimana [M] dan [ML] adalah konsentrasi ion Fe2+ bebas dan terikat, dan [R] = CRα (CR adalah konsentrasi total site pertukaran proton dan α adalah derajat disosiasi asam humus atau poliakrilik ). Nilai log βα diperoleh pada rentang pcH 4,6 – 5,5 pada kondisi kekuatan ion 0,1 dan 1,0 M. Hasilnya menunjukkan bahwa nilai logβα meningkat terhadap derajat disosiasi dan menurun terhadap meningkatnya kekuatan ion. Walaupun perubahan CFe(II) tidak berpengaruh terhadap logβα Fe(II)poliakrilik tetapi logβα Fe(II)humus menjadi lebih tinggi pada kondisi CFe(II) yang rendah karena komposisi asam humus yang heterogen. Dampak ke lingkungan dari pembentukan koloid yang mobile akan dapat diperkirakan dengan diperolehnya pengetahuan yang baik tentang pengaruhpengaruh parameter pada interaksi AHRN (pH, I dan CFe(II).). Hasil luaran dari model komputasi yang menggunakan parameterparameter ini akan sangat berguna sebagai bahan pertimbangan dalam tahap pengkajian fasilitas tempat penyimpanan lestari limbah radioaktif.
ABSTRACT EFFECTS OF pH, IONIC STRENGTH AND CFe(II) ON INTERACTION OF Fe(II) WITH HUMIC ACIDS TO ENVIRONMENT SAFETY OF RADWASTE DISPOSAL FACILITY. Humic acids in groundwater are expected to affect the migration behavior of radionuclides by forming soluble colloid complexes with radionuclides. Increased in migration of radionuclide to environment caused environment safety level around waste disposal facility decreased. In order to understand the interaction between radionuclides and humic acids, the complex formation of Fe(II) with Aldrich humic acid has been investigated by ion exchange method. To evaluate the effect of heterogeneous composition and of polyelectrolyte nature of humic acid, the complex formation of Fe(II) with homogeneous polymeric weak acid, polyacrylic acid (MW = 90000 Dalton) has been also examined to compare the effect of pH, ionic strength and metalion concentration on
657
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
the complex formation. By defining the apparent complex formation constant as βα = [ML]/([M][R]), where [M] and [ML] are the concentrations of free and bound Fe2+ ion, and [R] = CRα (CR is the total concentration of proton exchange sites and α is the degree of dissociation of humic or polyacrylic acid), the values of logβα have been obtained at pcH 4.6 to 5.5 in 0.1 and 1.0 M ionic strength. The results showed that log βα increased with the degree of dissociation and decreased with increasing the ionic strength. While the variation of CFe(II) had no appreciable influence on logβα of Fe(II)polyacrylate, however log βα of Fe(II)humate appreciably higher at lower CFe(II) due to the heterogeneous composition of the humic acid. Impacts of mobile colloid formation to environment can be predicted by found out a good knowledge of affecting parameters (pH, I dan C Fe(II).) on the interaction of AHRN. Output from computation modeling used this parameters will be useful as a consideration material on the assessment stage of radwaste ultimate disposal facility.
PENDAHULUAN Salah satu cara untuk menghambat adanya perpindahan radionuklida (RN) dari fasilitas penyimpanan limbah lestari ke lingkungan adalah mekanisme sorpsi RN oleh batuan alami sebagai sistem penghalang alami. Adanya konsentrasi yang tinggi dari materi organik di air tanah (seperti asam humus, AH) diperkirakan akan menarik RN yang telah terikat di batuan kembali ke air tanah. Hal ini disebabkan oleh sifat asam humus yang mempunyai kuat ikat yang tinggi terhadap ion logam untuk membentuk komplek dan kecenderungan sebagai koloid sehingga bersifat mobile di air tanah [15]. Adanya kecenderungan seperti ini menyebabkan parameter yang berpengaruh terhadap interaksi radionuklida harus dipelajari untuk mengetahui sifat migrasi RN. Kerumitan interaksi antara AH dan RN yang disebabkan oleh keragaman komposisi, struktur dan berat molekul AH, membuat interaksi AHRN tidak dapat diperkirakan sebagaimana interaksi antara molekulmolekul sederhana [1,67]. Komplikasi ini juga membuat keterkaitan antara pengaruh pH, konsentrasi ion logam (CM) dan kekuatan ion (I) larutan pada interaksi RNAH belum jelas. Pada penelitian sebelumnya interaksi RN AH menunjukkan bahwa konstanta pembentukan kompleknya dipengaruhi oleh pH, I dan CM [810]. Untuk mengetahui pengaruh kation lain yang ada di air tanah, interaksi Fe(II) dengan AH Aldrich perlu dipelajari sebagai fungsi dari pH, I dan konsentrasi Fe(II) (CFe(II)) di dalam larutan. Pada penelitian ini ion besi digunakan sebagai representasi ion logam terlarut di air tanah. Di fasilitas penyimpanan limbah jenis tanah dalam yang anaerob, besi akan didominasi oleh ion Fe2+. Konsentrasi besi di air tanah sangat rendah (107 ~ 104 M)[1], tetapi ini masih sebanding dengan konsentrasi materi organik terlarut seperti AH. Untuk mengetahui komposisi heterogen dan sifat polielektrolit AH, maka konstanta pembentukan komplek Fe(II)AH akan dibandingkan dengan konstanta pembentukan
658
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
Fe(II)asam poliakrilik. Asam poliakrilik (APA), [CH2CH(COOH)]n) dipilih sebagai representasi asam lemah polimer yang homogen dan mempunyai gugus fungsional yang identik. Konstanta pembentukan komplek didefinisikan sebagai, ML] / ([M][L])
(1)
dimana [L] adalah konsentrasi ligan bebas, [M] dan [ML] adalah konsentrasi ion logam bebas dan terikat. Pada penelitian ini konstanta pembentukan komplek ion (
menjadi, = [ML] / ([M][R])
(2)
dimana [M] dan [ML] adalah konsentrasi Fe(II) bebas dan terikat, dan [R] adalah konsentrasi site pertukaran proton. Nilai [R] didekati dengan CR dan adalah total konsentrasi site pertukaran proton dan
, dimana CR
adalah derajat disosiasi AH atau
APA. Dengan mengasumsikan [ML] >> CRα, konstanta pembentukan kompleknya menjadi,
βα =
[ML] [ML] = [M][R] [M]C Rα
(3)
Kelebihan pendekatan cara ini adalah nilai CR dan α dapat ditentukan secara terpisah melalui cara titrasi AH atau APA dengan larutan NaOH. Penelitian ini dilakukan secara penukaran ion, dan dengan memperhatikan perubahan βα yang dipengaruhi oleh berubahnya pH, I dan CFe(II). Pengetahuan tentang pengaruh dari parameterparameter yang berpengaruh pada interaksi AHRN akan memberikan pengertian yang baik tentang sifat migrasi AHRN di lingkungan. Informasi yang diperoleh ini sangat berguna sekali pada saat pembuatan modeling (model komputasi) pada tahap pengkajian keselamatan fasilitas tempat penyimpanan lestari limbah radioaktif.
BAHAN DAN METODE Bahan Radiotracer 59Fe (sp. radioaktifitas 37 MBq/ml, pengemban 0,56 mg Fe/ml, kemurnian 99,00%) dari NEN® Life Science Products, Inc. dilarutkan menjadi 1,4x106 M dengan 0,01 M HCl dan disimpan dalam botol polietilen sebagai larutan induk. Asam poliakrilik 25wt% (W=90000 Daltons) dari Polysciences Inc., dan asam humus Aldrich dimurnikan berdasarkan pustaka [3, 1112]. Resin Amberlite 200CT (jenis Na), KTK=4,3 meq/g dimurnikan dengan larutan 1 M HCl dan NaCl. Bahan kimia lainnya adalah seperti yang biasanya digunakan pada laboratorium kimia pada umumnya.
659
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
Tata Kerja Elektroda gelas untuk mengukur pH larutan terlebih dahulu dikalibrasi menjadi pengukur pcH (log [H+]) seperti pada pustaka [13], kemudian untuk memperkirakan besar konsentrasi gugus fungsional yang terdisosiasi, [R] seperti pada persamaan (2), maka kurva titrasi untuk AH dan APA dibuat pada kondisi I = 0,1 dan 1,0 M. Maksimum kapasitas pertukaran proton (CR) yang diperoleh untuk AH dan APA masingmasing adalah 4,95 dan 5,10 meq/g untuk AH (I = 0,1 dan 1,0 M) dan 12,88 meq/g untuk APA. Konsentrasi disosiasi gugus fungsional pada setiap pcH dihitung dengan persamaan[14], [H+] + [NaOH]added = [OH−]+[R]
(4)
[R] = CR
(5)
Dimana [H+] = 10pcH, [OH−] = 10pKwpcH dan pKw = 13,78 (I = 0,1 M), 13,69 (0,4 M), 13,71 (1,0 M). Penentuan konstanta pembentukan komplek dilakukan dengan cara mengontakkan resin dalam tabung reaksi dengan 5 ml larutan yang mengandung variasi konsentrasi AH atau APA, 0,02 M hydroxyl ammonium chloride, 0,1 atau 1,0 M NaCl, larutan penyangga (campuran 0,02 M 2(Nmorpholino)ethanesulfonic acid (MES) dan tris(hydroxymethyl) aminomethane (THAM)), variasi pcH 4,6 – 5,5 dan CFe(II) (variasi 108 ~104 M) dilabel dengan radioisotop 59Fe. Campuran ini dikocok selama 150 menit pada suhu 25 ± 1 oC. Setelah dipusingkan (2000 rpm, 10 menit), 1 ml larutan tersebut diukur aktivitas γnya dengan detektor jenis sumuran NaI(Tl). Koefisien distribusinya menjadi,
Kd
AT Aeq V Aeq m
(6)
Dimana AT dan Aeq adalah aktivitas 1 ml larutan pada saat tidak ada dan adanya resin di tabung kaca, dan V adalah volume (ml) larutan dan m adalah berat resin (g). Larutan yang tersisa digunakan untuk pengukuran pH.
HASIL DAN PEMBAHASAN Adanya AH atau APA dalam larutan menyebabkan Kd–Fe(II) berkurang dari Kd0 menjadi Kd disebabkan adanya pembentukan komplek Fe(II) dengan AH atau APA, sehingga koefisien distribusinya
K d0 =
[ Fe 2+ ] R [Fe 2+ ]
(7)
berubah menjadi,
K d0 K d0 [Fe + ]R Kd = = ≈ (8) [Fe 2+ ] + [FeL] 1 +β α [R] 1 +β α C Rα
660
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
dimana βα adalah konstanta pembentukan komplek seperti pada persamaan (2). Dengan menghitung nilai Kd sebagai fungsi CR pada nilai pcH tertentu kemudian dibandingkan dengan Kd0, maka nilai βα dapat ditentukan. Untuk memperoleh konstanta pembentukan komplek, maka persamaan (8) diubah menjadi,
1 1 β = 0 + α0 [R] Kd Kd Kd
(9)
yang dikenal sebagai persamaan Schübert [15], Dari plotting 1/Kd vs [R], dapat diperoleh 1/Kd0 dan βα/ Kd0 yang merupakan suatu intercept dan slope dari kurva 1/Kd vs [R]. Persamaan linier sederhana ini menunjukkan validitas dari data yang diperoleh. Deviasi dari konstanta pembentukan kompleknya diperoleh dari fitting leastsquare antara logKd(pengamatan) dan logKd(perhitungan), S = Σ{logKd(pengamatan) – logKd(perhitungan}2 dimana log Kd (perhitungan) = log Kd0 – log (1+10log
(10) )
log[R])
(11)
0.35
I : 1.0 M NaC l, C Fe ■ : pc H : 5.56 (α ● : pc H : 5.31 (α ▲ : pc H : 5.16 (α ▼ : pc H : 4.97 (α
1/ {K d/ (ml/ g)}
0.30
-8
= 6x10 M : 0.71) : 0.66) : 0.63) : 0.59)
0.25 0.20 0.15 0.10 0
2
4
6
8
-4
[R ] (10 mol/ l) Gambar 1 Tipikal hasil pembentukan komplek Fe(II)AH dalam bentuk plot 1/Kd vs [R]. Tipikal hasil pembentukan komplek Fe(II)AH diberikan pada Gambar 1 dalam bentuk plot 1/Kd vs [R]. Hasil ini diperoleh pada kondisi I dan CFe(II) konstan. Terlihat bahwa bahwa kurva yang terjadi membentuk garis lurus antara Kd dan [R], hal ini menunjukkan hasil interaksi yang baik antara Fe(II)AH. Pada gambar ini juga terlihat bahwa slope berubah saat pcH berubah, hal ini disebabkan karena disosiasi gugus fungsional AH tergantung dari kondisi pcH dilarutan. Dengan kata lain hal ini telah mengindikasikan
661
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
kalau apparent formation constants ). Meningkatnya
ISSN: 14123258
) meningkat dengan meningkatnya pcH (atau
akan menyebabkan meningkatnya muatan negatif pada molekul
AH yang membuat elektrostatika antara AH dan ion logam seperti Fe(II) semakin atraktif. Hal inilah yang menyebabkan ketergantungan pembentukan komplek Fe(II)HA terhadap pcH. Dengan kata lain bahwa dengan meningkatnya
akan meningkatkan banyaknya
gugus fungsional yang dapat membentuk ikatan koordinasi dengan setiap Fe(II).
6 5
-8
C F e = 6x10 M ■ ● : humic ac id, □ ○ : polyac rylic ac id ■ □ : I = 0.1 M NaC l ● ○ : I = 1.0 M
logβ
logβα
α
4 3 2 1 0 - 0.5
- 0.4
- 0.3
- 0.2
- 0.1
logα logα Gambar 2 Perubahan logβα sebagai fungsi log
Dari plot logβα vs log
yang ditunjukkan pada Gambar 2 menunjukkan adanya
perubahan logβα terhadap log
yang membentuk garis lurus. Adanya pengaruh yang
kuat dari kekuatan ion larutan terhadap logβα juga terlihat pada Gb. 2. Terjadinya perubahan pcH( ) menyebabkan disosiasi gugus fungsional AH. Situasi ini menyebabkan anionik dari gugus fungsional yang terdapat pada makromolekul HA atau PAA memberikan suatu kerapatan muatan yang tinggi pada permukaan koloid. Muatan negatif yang terjadi kemudian akan dinetralkan oleh ionion Na+ sebagai ion latar dari larutan. Adanya ion Fe2+ di dalam larutan menyebabkan ionion Na+ dan ion Fe2+ berkumpul disekitar makromolekul AH atau APA membentuk kuasi electrical double layer. Ketergantungan logβα terhadap I terjadi karena adanya kompetisi antara Na+ dan Fe2+ pada daerah double layer ini. Dari percobaan lainnya menunjukkan bahwa hasil pembentukan komplek Fe(II)APA terhadap perubahan pcH( hal yang sama terhadap hasil pembentukan komplek Fe(II)AH.
662
danI mengindikasikan
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
4.0
■□ : ~108 M
3.5
▲Δ : ~106 M ●○
3.0
: ~104 M
AH
logβ
logβαα
2.5 2.0 1.5
APA
1.0 0.5 0.0 - 0.4
- 0.3
- 0.2
- 0.1
logα log α Gambar 3 Pengaruh konsentrasi Fe(II) terhadap logβαFe(II)AH dan Fe(II)APA dalam bentuk logβα vs logα. Pada Gambar 3 ditunjukkan pengaruh konsentrasi Fe(II) terhadap logβαFe(II)AH dan Fe(II)APA dalam bentuk logβα vs logα. Percobaan pengaruh CFe(II) terhadap logβα dilakukan dengan menggunakan 3 konsentrasi Fe(II) yang berbeda. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa logβαFe(II)AH lebih besar dari Fe(II)APA, kemudian pada interaksinya dengan APA memperlihatkan bahwa adanya perubahan CFe(II) di larutan tidak berpengaruh terhadap nilai logβαAPA yang dihasilkan. Dimana hasilnya adalah identik satu dengan lainnya. Pada asam humus yang mempunyai komposisi heterogen, meningkatnya
AH menyebabkan meningkatnya konsentrasi disosiasi gugus fungsional
yang dimulai dari site pertukaran kuat. Gugus fungsional dari site pertukaran kuat ini kemudian mengikat Fe(II) lebih kuat dari pada gugus fungsional yang ada di APA. Hasil lainnya (pada interaksi Fe2+AH) menunjukkan bila CFe(II) meningkat maka logβα menurun. Hal ini menunjukkan adanya konsistensi hasil dengan penelitian sebelumnya [810,16]. Komposisi AH yang heterogen mengandung site pertukaran kuat dan lemah. Pada saat CFe(II) rendah, seluruh Fe(II) akan berinteraksi dengan site pertukaran kuat. Meningkatnya CFe(II) akan menyebabkan semua site pertukaran kuat terisi oleh Fe(II) sampai akhirnya site pertukaran lemahpun ikut berinteraksi dengan Fe(II) membentuk komplek Fe(II)AH. Adanya kecenderungan dari AHRN sebagai koloid yang bersifat mobile akan dapat diperkirakan dampaknya setelah diperoleh pengetahuan tentang pengaruh pH, I dan CFe(II) sebagai parameter yang penting pada interaksi AHRN. Informasi tentang besaran dari pembentukan komplek AHRN ini kemudian dapat digunakan sebagai masukan pada
663
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
saat pembuatan modeling (model komputasi). Luaran dari hasil pemodelan komputer ini akan sangat berguna sekali sebagai bahan pertimbangan dalam tahap pengkajian fasilitas tempat penyimpanan lestari limbah radioaktif.
KESIMPULAN Interaksi Fe(II)AH dilakukan pada rentang pcH 4,6 – 5,5 dan I = 0,1 dan 1,0 M dengan menggunakan cara pertukaran ion. Hasil yang diperoleh mengindikasikan bahwa logβα dari komplek Fe(II)AH meningkat terhadap naiknya derajat disosiasi (α) dan berkurang dengan meningkatnya kekuatan ion larutan. Meningkatnya CFe(II) di larutan akan menurunkan nilai logβα dari Fe2+AH, walaupun tidak berpengaruh pada interaksi Fe2+ APA hal ini disebabkan oleh pengaruh dari sifat polielektrolit dan adanya perbedaan kekuatan dari site pertukaran AH. Sifat asam humus yang mempunyai kecenderungan membentuk koloid yang mobile akan dapat diperkirakan dampaknya dengan diperolehnya pengetahuan yang baik tentang pengaruh parameterparameter yang penting pada interaksi AHRN, seperti pH, I dan CFe(II). Parameter ini kemudian digunakan sebagai masukan pada saat pembuatan model komputasi dan hasil luarannya akan sangat berguna sebagai bahan pertimbangan dalam tahap pengkajian fasilitas tempat penyimpanan lestari limbah radioaktif.
664
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
DAFTAR PUSTAKA [1]
Buffle, J.:Complexation Reactions in Aquatic System: An Analytical Approach, Ellis Horwood, New York (1990).
[2]
Choppin, G.R.: The role of natural organics in radionuclide migration in natural aquifer systems. Radiochim. Acta 58/59, 113120 (1992).
[3]
Kim, J.I.: Actinide colloid generation in groundwater. Radiochim. Acta 52/53, 7181 (1991).
[4]
Forstner, U. and Wittman G. T. W.: Metal Pollution in the Aquatic Environment, SpringerVerlag, Berlin (1983).
[5]
Weber, J. H.: Humic Substance and Their Role in the Environment, John Wiley and Sons, Inc., New York (1998).
[6]
Hummel, W.: Binding models for humic substances. In: Modelling in Aquatic Chemistry (Grenthe, I., Puigdomenech I., eds.). OECD Publications, Paris, 153201 (1997).
[7]
Hummel, W., Glaus, M.A., Van Loon, L.R.: Complexation of radionuclides with humic substance: The metal concentration effect. Radiochim. Acta 84, 111114 (1999).
[8]
Tochiyama, O., Yoshino, H., Kubota, T., Sato, M., Tanaka, K., Niibori, Y., Mitsugashira, T.: Complex formation of Np(V) with humic acid and polyacrylic acid. Radiochim. Acta 88, 547552 (2000).
[9]
Kubota, T., Tochiyama, O., Tanaka, K., Niibori, Y.: Complex formation of Eu(III) with humic acid and polyacrylic acid. Radiochim. Acta, in press.
[10] Kirishima, A., Tanaka, K., Niibori, Tochiyama, O.: Complex formation of Ca(II) with humic acid and polyacrylic acid. Radiochim. Acta, in press. [11] Bertha, E. L., Choppin, G.R.: Interaction of humic and fulvic acids with Eu(III) and Am(III). J. Inorg. Nucl. Chem. 40, 655658 (1978). [12] Kim, J.I., Buckau, G., Zhuang, W.: Humic colloid generation of transuranic elements in groundwater and their migration behaviour. Mat. Res. Symp. Proc. 84, 747756 (1987). [13] Kubota, T., Tochiyama, O., Yoshino, H., Tanaka, K., Niibori, Y.: A study of the interaction of Neptunium(V) with polyacrylic acid by solvent extraction. Radiochim. Acta 83, 1520 (1998). [14] Martell, A. E., Smith, R.M., Motekaitis, R. J.: NIST Critically Selected Stability Constants of Metal Complexes Database Ver. 6.0, Texas A & M University (2001).
665
Seminar Keselamatan Nuklir 2 – 3 Agustus 2006
ISSN: 14123258
[15] Schubert, J.: Complexes of alkaline earth cations including Radium with amino acids and related compounds. J. Am. Chem. Soc., 76, 34423444 (1954). [16] Kubota, T., Tochiyama O., Tanaka K., Niibori Y. Complex formation of Eu(III) with polyacrylic acid. Radiochim. Acta, 88, 579582 (2000).
666