PELARUTAN BAJA TAHAN KARAT TIPE 304 DENGAN MEDIATOR PERAK(II)
Suwardiyono Pusat Teknologi Limbah Radioaktif
ABSTRAK PELARUTAN BAJA TAHAN KARAT TIPE 304 DENGAN MEDIATOR PERAK (II). Telah dilakukan regenerasi Ag2+ dan pelarutan baja tahan karat tipe304 menggunakan sel oksidasi elektrokimia berskala laboratorium dengan kondisi anolit 0,05 M AgNO3/4 M HNO3, katolit 13 M HNO3, temperatur 20, 30 dan 40 0C, arus 10 amper dan kecepatan pengadukan 1000 rpm. Konsentrasi optimum Ag2+ adalah 0,0149456 mol/l pada suhu 20 0C, 0,011626 mol/l pada suhu 30 0C dan 0,0075620 mol/l pada suhu 40 0C. Kecepatan pelarutan baja tahan karat tipe 304 adalah 1,5 mg/cm2 jam pada temperatur 20 0C, 1,1 mg/cm2 jam pada temperatur 30 0 C dan 0,9 mg/cm2 jam pada temperatur 40 0C. Kosentrasi Ag2+ mengalami penurunan selama konsentrasi Ag2+ dikonsumsi untuk pelarutan baja tahan karat tipe 304. Dari data tesebut di atas, maka akan dilakukan dekontaminasi baja tahan karat tipe 304 terkontaminasi α.
ABSTRACT DISSOLUTION OF STAINLESS STEEL TYPE 304 USING MEDIATOR OF SILVER (II) ION. The experimental work for regeneration of Ag2+ and dissolution of stainless steel type 304 using a laboratory scale electrochemical oxidation cell were carried out under the condition of anolyte of 0,05 M AgNO3/4 M HNO3, catholyte of 13 M HNO3, temperature of 20, 30 and 40 0C, current of 10 A and stirring speed of 1000 rpm. The optimum concentration of Ag2+ was 0,0149456 mol/l at temprature 20 0C, 0,011626 mol/l at temprature 30 0C and 0,0075620 mol/l at temprature 40 0C. The dissolution rates of stainless steel type 304 was 1,5 mg/cm2 hour at temperature of 20 0C, 1,1 mg/cm2 hour at temperature of 30 0C and 0,9 mg/cm2 hour at temperature of 40 0C. The Ag2+ concentration was gradually decreased, since the concentration of Ag2+ was consumed for dissolution of stainless steel type 304. From above data, the decontamination of α-contaminated stainless steel type 304 will be carry out.
PENDAHULUAN Berbagai jenis limbah padat terkontaminasi radionuklida pemancar α seperti : baja tahan karat bekas wadah uranium-plutonium MOX, karet sarung tangan, filter, tisu, kertas, platik, PVC, dll., ditimbulkan oleh industri nuklir yang menggunakan bahan baku uranium, plutonium, amerisium dan turunan-turunannya untuk penelitian, pembuatan bahan bakar dan keperluan lainnya. Limbah padat terkontaminasi α perlu didekontaminasi sampai mencapai batas aman untuk dibuang ke lingkungan atau didaur ulang[1,2]. Dekontaminasi dengan metode oksidasi elektrokimia menggunakan mediator larutan ion perak (II) atau disebut mediator Ag2+, memiliki beberapa keuntungan sebagai berikut: peralatannya sangat kompak dan dapat diinstal di dalam glove box,
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
kondisi pengoperasian yang ringan di bawah tekanan normal dan suhu kamar, dan material radioaktif berada di dalam fase cair [1]. Untuk itu dekontaminasi dengan metode oksidasi elektrokimia menggunakan mediator Ag2+ telah banyak digunakan untuk dekontaminasi limbah terkontaminasi α. Pada anode, larutan perak nitrat dalam bentuk Ag+ teroksidasi menjadi Ag2+ dengan potensial redok 1,98 volt [3,4]. Ag+ →
Ag2+
e-
+
(1)
Ag2+ perlahan-lahan tereduksi dan H2O terdekomposisi
Pada temperatur kamar
dengan lepasnya oksigen [5]. 4 Ag2+ + 2 H2O → Mediator Ag
2+
4 Ag+ + O2 + 4 H+
(2)
adalah sangat reaktif dan dapat melarutkan berbagai jenis komponen
radioaktif, yang sangat sukar larut sekalipun. Seperti contoh, plutonium dioksida yang sangat sulit dilarutkan, kecuali di dalam larutan asam kuat dan asam hidrofluorida. Namun demikian Ag2+ melarutkan plutonium dioksida dengan mudah dan dikonversi menjadi ion plutonil (PuO22+) [3]: PuO2(s)
+
2 Ag2+
PuO2 2+
→
+
2 Ag+
(3)
Amerisium dioksida teroksidasi oleh Ag2+ menjadi larutan ion amerisil (AmO22+ ): AmO2(s) + 2 Ag2+ →
AmO22+ + 2 Ag+
(4)
Uranium dioksida teroksidasi oleh Ag2+ menjadi larutan ion uranil (UO22+): UO2(s)
+ 2 Ag2+
UO22+
→
2+
Stainless steel teroksidasi oleh Ag Mediator Ag
(5)
menjadi larutan Fe, Ni dan Cr:
Stainless steel (Fe, Ni, Cr) + Ag2+ 2+
2 Ag+
+ →
Fe3+, Ni2+, Cr6+
+
Ag+
(6)
sangat reaktif, sehingga dengan cepat bereaksi dengan senyawa
organik dan mengoksidasinya menjadi CO2, CO, H2O, dan produk anorganik, dll. [6]. Organik + (O) → CO2 + CO + H2O + produk anorganik
(7)
Dalam penelitian ini akan dilakukan regenerasi atau pembangkitan Ag2+ dan pelarutan baja tahan karat tipe 304 menggunakan sel oksidasi elektrokimia skala laboratorium. dengan kondisi anolit 0,05 M AgNO3/4 M HNO3, katolit 13 M HNO3, temperatur 20, 30 dan 40 0C, arus 10 amper dan kecepatan pengadukan 1000 rpm. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik dari regenerasi atau pembangkitan Ag2+
dan pelarutan baja tahan karat tipe 304, sebagai langkah
awal untuk melakukan dekontaminasi limbah padat terkontaminasi radionuklida pemancar α, khususnya baja tahan karat tipe 304.
171
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
TATA KERJA Peralatan (1). Alat yang digunakan untuk percobaan adalah sel oksidasi elektrokimia berskala laboratorium yang dibuat dari bahan gelas dan teflon seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Sel ini terdiri dari kompartemen anode kapasitas 4 liter dan kompartemen katode kapasitas 0,15 liter, dimana keduanya dipisahkan oleh membran keramik.
Anode terbuat dari bahan platina berbentuk anyaman keranjang yang
memiliki luasan 181 cm2 dan juga katode dibuat dari bahan dan bentuk yang sama dengan luasan 93 cm2. Pengaduk terbuat dari teflon di tempatkan di dalam kompartemen anode. Kompartemen anode diisi dengan dengan anolit 0,05 M AgNO3/4 M HNO3 dan kompatermen katode diisi dengan katolit 13 M HNO3. Temperatur anolit dikontrol dengan air pendingin yang disirkulasikan di dalam jaket pendinginan. (2). Alat ukur titrator otomatis, merek Kitagawa, buatan Jepang. (3). ICP spektrometri, merek Kitagawa, buatan Jepang. Bahan (1). Larutan perak nitrat, dengan konsentrasi 0,05 M AgNO3/4 M HNO3. (2). Larutan asam nitrat, dengan konsentrasi 13 M HNO3. (3). Baja tahan karat tipe 304, dengan ukuran 15 mm x 15 mm x 0,3 mm.
anode
termometer katode
air pendingin keluar membran k ik jaket air katolit air pendingin masuk anolit stirer
Gambar 1. Sel oksidasi elektrokimia skala laboratorium
172
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Regenerasi Ag2+ Proses regenerasi Ag2+, sel oksidasi elektrokimia dioperasikan pada temperatur 20 0C, 30 0C dan 40 0C, dengan arus 10 amper, dan kecepatan pengadukan 1000 rpm. Selama proses elektrolisis dilakukan pengambilan sampel, kemudian sampel tersebut dilakukan pengukuran konsentrasi Ag2+ dengan menggunakan
alat ukur
titrator otomatis.
Pelarutan baja tahan karat tipe 304 Sampel baja tahan karat tipe 304 ukuran 15 mm x 15 mm x 0,3 mm sebanyak seratus buah di cuci dengan menggunakan deterjen di dalam bak ultrasonik, setelah itu dicuci dengan air bebas mineral dan dikeringkan. Selanjutnya sampel dimasukkan ke dalam larutan anolit. Sel elektrokimia dioperasikan pada kondisi elektrolisis dengan temperatur 20
0
C, 30
0
C dan 40
0
C, dengan arus 10 amper, dan
kecepatan
pengadukan 1000 rpm. Selama proses elektrolisis dilakukan pengambilan sampel, kemudian sampel tersebut dilakukan pengukuran untuk mengukur konsentrasi Fe, Ni, dan Cr dengan menggunakan ICP spektrometer dan konsentrasi Ag2+ dilakukan pengukurannya dengan menggunakan alat ukur titrator otomatis.
HASIL DAN PEMBAHASAN Regenerasi Ag2+ Regenerasi Ag2+ dilakukan untuk mengetahui kondisi optimum dan karakteristik dari konsentrasi Ag2+ dalam kondisi anolit 0,05 M AgNO3/4 M HNO3 dan katolit 13 M HNO3 pada temperatur elektrolisis 20 0C, 30 0C dan 40 0C, dengan arus 10 amper dan kecepatan pengadukan 1000 rpm.
Hasil percobaan
dapat ditunjukkan pada
Gambar 2, yaitu grafik konsentrasi Ag2+ versus waktu elektrolisis dengan parameter temperatur elektrolisis. Konsentrasi Ag2+ pada temperatur 20 0C, 30 0C dan 40 0C, berturut-turut kondisi optimum tercapai pada konsentrasi Ag2+ sebesar 0,0149456 mol/l terjadi pada menit ke 15, konsentrasi Ag2+ sebesar 0,011626 mol/l terjadi pada menit ke 15 dan konsentrasi Ag2+ sebesar 0,0075620 mol/l pada menit ke 10. Selanjutnya setelah kondisi optimum konsntrasi Ag2+ tercapai, maka terjadi kesetimbangan dan konstan selama elektrolisis. Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa dengan adanya kenaikan
temperatur elektrolisis, maka konsentrasi Ag2+ akan mengalami
penurunan yang cukup signifikan.
173
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
0.0176
K onsentrasi Ag
2+
(mol/l)
0.0154 0.0132 0.011 0.0088 0.0066 0.0044
2 0 derajat C 3 0 derajat C
0.0022
4 0 derajat C
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Waktu elektrolisis (menit) 2+
Gambar 2. K onsentrasi Ag
dalam anolit 0,05 M AgN O 3 /4 M HN O 3 ,
kotolit 13 M HN O 3 , arus 10 A dan pengadukan 1000 rpm.
Pelarutan baja tahan karat tipe 304 Pelarutan permukaan baja tahan karat akan menunjukkan tingkat penghilangan atau pelepasan kontaminasi α yang telah penetrasi masuk ke dalam karat atau retak pada permukaan baja tahan karat.
Untuk mendapatkan pelarutan yang optimum,
percobaan ini telah dilakukan pada kondisi temperatur 20 0C, 30 0C dan 40 0C, dengan arus 10 amper, dan kecepatan pengadukan 1000 rpm. Hasil percobaan ini dapat ditunjukkan pada Gambar 3, yaitu grafik konsentrasi Fe, Ni dan Cr versus waktu elektrolisis. Kecepatan pelarutan baja tahan karat tipe 304 berturut-turut 1,5 mg/cm2 jam untuk temperatur 20 0C, 1,1 mg/cm2 jam untuk temperatur 30 0C dan 0,9 mg/cm2 jam untuk temperatur 40 0C. Pelarutan baja tahan karat tipe 304 mengalami penurunan dengan adanya kenaikan temperatur elektrolisis. Konsentrasi Ag2+ selama proses pelarutan baja tahan karat tipe 304 ditunjukkan pada Gambar 4, yaitu grafik kecepatan pelarutan baja tahan karat tipe 304 versus waktu elektrolisis.
Konsentrasi Ag2+
berangsur-angsur mengalami penurunan selama konsentrasi Ag2+ dikonsumsi untuk proses pelarutan baja tahan karat tipe 304.
174
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
2.5
2
K onsentrasi Fe, N i dan Cr (mg/cm )
2 0 d e ra ja t C 3 0 d e ra ja t C 4 0 d e ra ja t C
2
1.5
1
0.5
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10 0
Waktu elektrolisis (menit) Gambar 3. K onsentrasi Fe, N i dan Cr dalam anolit 0,05 M AgN O 3/4 M HN O 3, katolit 13 M HN O 3, arus 10 A dan kecepatan pengadukan 1000 rpm,
0.0176
0.0132 0.011
K onsentrasi Ag
2+
(mol/l)
0.0154
0.0088 0.0066 0.0044 2 0 d e ra ja t C 3 0 d e ra ja t C
0.0022
4 0 d e ra ja t C
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Waktu elektrolisis (menit) 2+
Gambar 4. K onsentrasi Ag
dalam proses pelarutan stainless steel 304,
anolit 0,05 M AgN O 3 /4 M HN O 3 , katolit 13 M HN O 3 , arus 10 A dan kecepatan pengadukan 1000 rpm.
175
100
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
KESIMPULAN Dari hasil percobaan menujukkan bahwa konsentrasi Ag2+ akan mengalami kesetimbangan dan konstan setelah kondisi optimumnya tercapai. Kenaikan temperatur elektrolisis menurunkan konsentrasi Ag2+. Kecepatan pelarutan baja tahan karat tipe 304 mengalami penurunan dengan adanya kenaikan temperatur elektrolisis. Makin tinggi temperatur elektrolisis menurunkan kecepatan pelarutan baja tahan karat tipe 304. Konsentrasi Ag2+ setelah dikonsumsi untuk proses pelarutan baja tahan karat tipe 304 berangsur-angsur mengalami penurunan.
DAFTAR PUSTAKA 1. S. SUGIKAWA, M. UMEDA, “Alpha Bearing Waste Treatment by Electrochemical Oxidation Technique”, Conference on Safewaste 2000, October 2 - 4, 2000. 2. 2. Y. SUZUKI, A. MAEDA, S. SGIKAWA, I. TAKESHITA, “Waste Management in NUCEF ”, Conference on Atlanta 2000, Avignon, France, October 24 - 26, 2000. 3. C. MERTZ, D.B. CHAMBERLAIN, L. CHEN, C. CORNER, G. F. VANDERGRIFT, “Decontamination of Actinide and Fission Products from Stainless Steel Surfaces”, ANL, Argonne Illinois,Chicago, USA, April 14 - 17, 1996. 4. 4. A.P.TOLBOYS, S. S. COOP, “Radioactive Contamination and Decontamination Tests on Rubber Gloves”, Johns Hopkins University, USA, December 15, 1952. 5. 5. V. VAN ALSENOY, A. RAHIER, “The Electrochemical Oxidation of Organic Wastes and Activated Graphite by Ag+2 in Nitric Acid ”: a literature study, SCK-CEN, Mol, Belgium, August 1996. 6. 6. D. F. STEELE, D. RICHARDSON, J. D. CAMBELL, D. R. CRAIG and J. D. QUINN, “The low Temperature Destruction of Organic Waste by Electrochemical Oxidation”, Technology Division, AEA Technology, Dunray, UK, Trans IchemE, Vol.68, Part B, May 1990.
176
