PEMURNIAN TORIUM DENGAN CARA EKSTRAKSI MEMAKAI TRIBUTIL FOSFAT

Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

PEMURNIAN TORIUM DENGAN MEMAKAI TRIBUTIL FOSFAT

223

CARA

EKSTRAKSI

Suyanti dan Suprihati Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN, Yogyakarta

ABSTRAK PEMURNIAN TORIUM DENGAN CARA EKSTRAKSI MEMAKAI TRIBUTIL FOSFAT. Telah dilakukan pemurnian torium (Th) dengan cara ekstraksi memakai tributil fosfat (TBP). Proses pemurnian Th dilakukan melalui 3 tahap. Tahap 1 ekstraksi, 2 Scrubbing dan 3 Stripping. Tahap 1 ekstraksi menggunakan solven TBP dengan tujuan pengambilan Th dari fasa air (umpan) sehingga masuk ke dalam fasa organik TBP – kerosin. Pada tahap 2 scrubbing bertujuan meningkatkan kemurnian Th di dalam fasa ekstrak sehingga logam tanah jarang di dalam fasa ekstrak turun kedalam fasa air. Tahap 3 Stripping bertujuan memisahkan Th dari logam tanah jarang di dalam fasa organik hasil scrubbing sehingga diperoleh larutan konsentrat Th dengan kadar yang relatif tinggi. Kadar Th dan logam tanah jarang di dalam larutan umpan ekstraksi maupun hasil proses dianalisis menggunakan spektrometer pendar sinar – X. Larutan umpan ekstraksi dibuat dengan melarutkan konsentrat torium hidroksida dari hasil pengendapan leburan encer pasir monasit pada pH 0,85. Larutan umpan konsentrat torium nitrat mengandung Th = 9310,784 mg/l, Y = 688,457 mg/l, La = 1370,495 mg/ l, Ce = 3853,892 mg/l dan Nd = 1696,026 mg/l. Ekstraksi dilakukan secara catu dengan variasi waktu ekstraksi, keasaman larutan umpan dan konsentrasi solven TBP dalam Kerosin. Larutan fasa organik hasil optimasi ekstraksi diperlakukan scrubbing secara catu dengan 5 M HNO3, FA : FO = 2 : 1 dan waktu scrubbing 25 menit. Fasa organik hasil scrubbing diperlakukan stripping secara catu dengan keasaman larutan stripper 0,1 M HNO3, FA : FO =1,5 : 1 dan waktu stripping 15 menit. Dari percobaan di atas hasil ekstraksi Th relatif optimum pada kondisi waktu ekstraksi 25 menit, keasaman larutan umpan 5 M HNO3, TBP – Kerosin (30 % TBP) dan FA:FO = 1 : 1 Pada kondisi tersebut diperoleh efisiensi ekstraksi Th = 94,42 %. Proses scrubbing Th diperoleh efisiensi scrubbing Th = 9,61 % dan hasil proses stripping diperoleh larutan konsentrat Th(NO3)4 yang relatif bebas logam tanah jarang (Y, La, Ce, Nd) dengan efisiensi stripping Th = 46,13 %. Kata kunci: Pemurnian, ekstraksi, Scrubbing dan Stripping, torium, TBP.

ABSTRACT PURIFICATION OF THORIUM BY EXTRACTION USING TRIBUTHYL PHOSPHATE. The purification of thorium (Th) by extraction using tributhyl phosphate (TBP). The purification process of Th has been conducted in three steps. The first step was extraction, the second step was scrubbing and the third step was stripping. The first step of extraction used TBP solvent with the aim sprating Th from the aqueous phase (feed ) using organic phase of TBP-Kerosene. In the second step scrubbing aiming enhancing the purity of Th in extract phase, so the rare- earth metals in the extract phase down to the aqueous phase. The third step stripping aiming separating Th from the rare- earth metals in the organic phase as the result of scrubbing so that Th concentrate solution obtained relatively high. Thorium concentration and the rare- earth metals in the monazite sand or the other extraction stream was analyzed by using X-ray fluorescence (XRF) spectrometer. The feed solution of extraction was made by dissolving of thorium hydroxide from the precipitation of diluted digested monazite sand at pH of 0.85. The solution of concentrate thorium nitrate containing Th = 9310.784 mg/l, Y = 688.457 mg/l, La = 1370.495 mg/ l, Ce = 3853.892 mg/l dan Nd = 1696.026 mg/l. The extraction was performed batch wisely by varying the extraction time, the feed acidity and the concentration of TBP solvent in kerosene. The organic phase solution of the optimized result of extraction was scrubbed batch-wisely using 5 M HNO3, the ratio of FA : FO was 2 : 1 and the scrubbing time of 25 minutes. The organic phase of scrubbing result was stripped batch-wisely with the acidity of stripper is 0.1 M HNO3, the ratio of FA : FO was 1,5 : 1 and the stripping time of 15 minutes. From the above experiment, the optimum result of Th extraction was achieved at the extraction time of 25 minutes, theacidity of the feed solution of 5 M HNO3 , TBP – Kerosene(30 % TBP) dan the ratio of FA:FO was 1 : 1. At those condition , the extraction efficiency of Th obtained was 94,42 %; The efficiency of Th scrubbed at scrubbing process was 9,61 % and the efficiency of Th stripped at stripping process of Th(NO3)4 concentrate solution which is relatively free from the rare-earth metals (Y, La, Ce, Nd) was 46,13 %. Keyword : Purification, extraction, Scrubbing and Stripping , thorium, TBP

Prosiding PPI - PDIPTN 2010 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 20 Juli 2010

224

ISSN 0216 - 3128

PENDAHULUAN

D

i Indonesia pasir monasit merupakan hasil samping pencucian bijih timah oleh PT tambang Timah yang terdapat di P. Bangka dan Belitung. Pasir monasit ini hanya dibuang di sekitar pulau-pulau tersebut. Selain itu, pasir monasit juga terdapat di Singkep, Rirang dan Tanah Merah (Kalimantan). Monasit adalah mineral yang mempunyai bentuk ikatan fosfat yang mengandung Th dan logam tanah jarang (LTJ) Ce, La , Nd , Pr dll. Rumus kimia monasit adalah Th,(LTJ).(PO4), perbandingan Ln2O3 (lantanida) dibanding P2O5 = 70 : 30. Analisis monasit seringkali menunjukkan logam-logam pengotor seperti besi, alumunium, kalsium, magnesium, titanium, zirkonium dan silika. Selain monasit sebenarnya mineral yang mempunyai kandungan Th sangat besar adalah Thorit dan Thorianit. Untuk pemurnian Th dari pengotor LTJ dilakukan proses ekstraksi memakai TBP dan dilanjutkan dengan proses scrubbing dan proses stripping. Ekstraksi pelarut atau ekstraksi cair–cair adalah salah satu teknik pemisahan yang sering dipakai. Teknik pemisahan ini sangat sederhana, cepat, mempunyai ruang lingkup yang luas, dapat dipakai untuk memisahkan logam–logam dari kadar rendah sampai kadar tinggi. Terjadinya pemisahan unsur satu dengan lainnya karena berpindahnya salah satu atau beberapa unsur dari fasa cair yang satu ke fasa cair yang lainnya yang tidak saling melarutkan. Pemisahan logam dari logam lain dapat dikerjakan dengan mengubah logam tersebut menjadi senyawa kompleks yang dapat larut dalam fasa organik. Senyawa kompleks dibentuk dengan menambahkan pelarut atau pengompleks. Unsur – unsur yang akan dipisahkan biasanya berada pada larutan yang bersifat seperti air atau larutan anorganik yang sangat encer yang disebut fasa air. Salah satu atau beberapa unsur akan berpindah ke fasa cair yang lain yang biasanya berupa larutan organik yang disebut sebagai fasa organik. Fasa organik ini mempunyai gugus ligan yang dapat bereaksi selektif terhadap salah satu atau beberapa unsur yang ada dalam fasa air. Reaksi yang terjadi bisa berbentuk reaksi pembentukan kompleks maupun reaksi yang lainnya. Terpisahnya unsur – unsur ini karena perbedaan reaktifitas setiap unsur dan perbedaan difusivitas masing – masing unsur terhadap fasa organik(3). Larutan organik yang dipakai sebagai ekstraktan untuk memisahkan logam – logam kebanyakan organofosfat.. TBP termasuk senyawa organofosfat yang bersifat netral, yang mengandung 3 buah gugus butil dan mempunyai 1 atom oksigen donor. Atom oksigen pada gugus P=O merupakan basa lewis dan bertindak sebagai atom donor yang dapat

Suyanti, dkk.

memberikan pasangan elektron bebasnya pada orbital kosong Th dan LTJ, jadi pada hakekatnya ekstraksi Th atau LTJ oleh TBP dapat dipandang sebagai reaksi netralisasi asam basa Lewis, Ekstraksi memakai TBP dapat digolongkan ekstraksi secara solvasi. Thorium dioksida (ThO2), juga disebut thoria dapat dipakai dalam berbagai bidang industri . Penggunaan thorium dioxide (ThO2):(1,2,3,4,5) − Untuk kaos lampu petromaks. − Untuk kontrol ukuran butir wolfram pada lampu listrik. − Untuk bahan krus yang tahan suhu tinggi. − Sebagai bahan campuran gelas menaikkan angka kekerasan , tetapi mempunyai dispersi yang rendah, sehingga sangat bagus untuk lensa kamera dan instrumen lain yang dipakai untuk keperluan ilmiah. − Sebagai katalisator − Thorium dioxide adalah bahan (obat) Thorotrast, yang dipakai sebagai bagian diagnosa memakai sinar – X − Sebagai bahan yang fertil untuk produksi bahan bakar nuklir. Mengingat nilai ekonomis dan cukup tersedianya cadangan pasir monasit di Indonesia, maka sudah selayaknya pemurnian Th dari pasir monasit dilakukan. Disamping dapat meningkatkan nilai tambah juga mengurangi bahan buangan. Proses pembuatan Th dioksida dari pasir monasit diawali dengan pembentukan konsentrat Th. Rangkaian proses pembuatan konsentrat Th hidroksida dari pasir monasit :(6,7) Peleburan pasir monasit memakai asam sulfat Mengurai ikatan fosfat dengan asam sulfat supaya dapat diproses lebih lanjut. 2(LTJ)(PO4)+3H2SO4↔(LTJ)2(SO4)4+2H3PO4 (1) (2) ThSiO4+2H2SO4↔Th(SO4)2+SiO2+H2O (3) 2ThPO4+3H2SO4↔Th2(SO4)3 + 2H3PO4 (4) SiO2.XH2O+H2SO4↔SiO2+H2SO4.xH2O Pengenceran hasil leburan memakai es dan air. Hasil leburan yang sangat asam diencerkan dengan es untuk mengurangi panas yang berlebihan karena terjadi reaksi eksotermis Penyaringan − Hasil leburan yang berupa Th. LTJ sulfat dan residu SiO2 dipisahkan. − Pengendapan pH 0,85 memakai NH4OH


Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

− Hasil leburan yang berupa Th. LTJ sulfat ditambah NH4OH, endapan yang terbentuk adalah campuran Th hidroksida dan Th pirofosphat.

225

Ef .EkstraksiTh =

X Th ,e X o,Th

X LTJ ,e

Ef .EkstraksiLTJ =

X o,LTJ

Th(SO4)2 + 4NH4OH→Th(OH)4↓ + 2(NH4)2SO4 Th (SO4)2+H3PO4 →Th(P2O7) ↓ + H2SO4 + H2O Peleburan dengan NaOH pada suhu 140 oC − ThP2O7 + 4NaOH↔Th(OH)4 +Na4(P2O7)

(5)

− Penyaringan dan Pencucian dengan air panas untuk memisahkan endapan Th(OH)4 dan Na4(P2O7). − Ekstraksi untuk pemurnian torium memakai TBP – Kerosen.

Pelarutan dengan asam nitrat Reaksi pelarutan adalah sebagai berikut : (6) LTJ ( OH )3 + 3HNO3↔LTJ( NO3 )3 + 3H2O Th ( OH )4 + 4 HNO3↔Th ( NO3 )4 + 4 H2O (7) LTJ (OH)3 adalah hidroksida logam tanah jarang Ekstraksi pelarut memakai Tributil fosfat (TBP) : H+ + NO3 - ↔ HNO3 HNO3 (a) ↔ HNO3 (o) HNO3 (o) + TBP (o) ↔ HNO3.TBP(o) LTJ3+ + 3NO3- + 2TBP ↔ LTJ(NO3)3.2TBP(o ) Th4+ + 4NO3- + 2TBP ↔ Th(NO3)4.2TBP(o) = fasa air, (o) = fasa organik.

(8) (9) (10) (11) (12)

Pencucian (Scrubbing) Untuk mereekstraksi logam tanah jarang dari fasa ekstrak kedalam fasa air larutan nitrat. LTJ,Th(NO3)4.2TBP+2HNO3 ↔ Th(NO3)4.2TBP+ LTJ(NO3)3 Stripping memakai HNO3. Th(NO3)4.2TBP+2HNO3 ↔ Th(NO3)4+2HNO3.TBP (13)

Dari tahapan proses tersebut di atas maka peubah proses yang berpengaruh di dalam ekstraksi, scrubbing dan stripping perlu dioptimasi sehingga efisiensi hasil pemurnian yang dicapai dapat maksimal. Penelitian ekstraksi, scrubbing dan stripping masing-masing dilakukan secara catu di dalam suatu bejana berpengaduk. Peubah proses pada ekstraksi Th yang dipelajari adalah waktu ekstraksi, keasaman larutan umpan atau kadar HNO3 di dalam larutan umpan dan konsentrasi solven (TBP) di dalam kerosin. Hasil optimal yang diperoleh pada tahap ekstraksi yaitu bila besarnya nilai efisiensi ekstraksi Th adalah maksimal pada efisiensi ekstraksi LTJ adalah minimal.

(15)

Hasil scrubbing dinyatakan optimal bila efisiensi scrubbing Th adalah minimal pada efisiensi scrubbing LTJ yang maksimal. X Th ,sc X100% X Th ,e

Ef .ScrubbingLTJ =

(8)

X100%

(14)

XTh,e adalah kadar Th di dalam fasa ekstrak hasil ekstraksi, Xo,Th adalah kadar Th di dalam larutan umpan ekstraksi, XLTJ,e adalah kadar logam tanah jarang di dalam fasa ekstrak hasil ekstraksi, Xo,LTJ adalah kadar logam tanah jarang di dalam larutan umpan ekstraksi.

Ef .ScrubbingTh =

− Reaksi yang terjadi :

X100%

(16)

X LTJ ,sc

X100% (17) X LTJ,e Keberhasilan proses stripping Th ditentukan oleh nilai efisiensi strippingnya.

Ef .StripingTh =

X Th,s YTh,sc

X100%

(18)

XTh,sc adalah kadar Th di dalam fasa air hasil scrubbing, XLTJ,sc adalah kadar logam tanah jarang di dalam fasa air hasil ekstraksi, XTh,s adalah kadar Th di dalam fasa air hasil stripping dan XTh,sc adalah kadar Th di dalam fasa organik hasil scrubbing. Untuk menunjang penelitian ini digunakan alat analisis kuantitatif spektrometer pendar sinar – X.

TATA KERJA Bahan Penelitian ini menggunakan bahan konsentrat torium hidroksida yang dibuat dari pasir monasit pulau Bangka. Konsentrat ThP2O7 hasil olah pasir monasit dilebur dengan NaOH teknis sehingga diperoleh konsentrat torium hidroksida. Pada proses ekstraksi ekstraktan yang digunakan adalah TBP dengan pengencer kerosin. Fasa organik hasil ekstraksi di scrubbing dengan larutan HNO3. Stripping Th juga dilakukan dengan larutan HNO3. Bahan-bahan yang dipakai TBP, kerosin dan HNO3 adalah buatan E. Merck. Alat Proses ekstraksi, scrubbing dan stripping masing–masing dilakukan secara catu dengan menggunakan gelas beker dan seperangkat alat pengaduk magnit. Fasa air dan fasa organik hasil proses ekstraksi, scrubbing dan stripping dipisahkan


226

ISSN 0216 - 3128

dengan labu pisah. Kadar torium dan logam tanah jarang di dalam larutan umpan maupun hasil proses ditentukan dengan memakai spektrometer pendar sinar – X.

Suyanti, dkk.

alat spektrometer pendar sinar–X. Hasil proses pemurnian Th yang optimum (hasil ekstraksi, scrubbing, stripping (konsentrat Th(NO3)4) dilakuan uji mutu di laboratorium uji bahan Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir analisis menggunakan ICPS.

Cara kerja : Ekstraksi

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dua ratus gram pasir monasit dengan ukuran butir 100 mesh ditambah 400 ml asam sulfat pekat dipanaskan selama 5 jam pada suhu 210 oC. Hasil leburan diencerkan dengan air es sebanyak 5 liter, kemudian disaring. Larutan encer leburan pasir monasit diendapkan memakai larutan 15 % NH4OH pada pH pengendapan 0,85. Selanjutnya endapan dilebur dengan larutan 50 % NaOH pada suhu 1400C selama 2 jam sehingga diperoleh endapan konsentrat torium hidroksida. Konsentrat Th(OH)4 dilarutkan ke dalam larutan 5 M HNO3 untuk membuat larutan umpan ekstraksi pemurnian Th. Kadar Th dan logam tanah jarang di dalam larutan umpan adalah Th = 9310,784 mg/ l, Y = 688,457 mg/ l, La = 1370,495 mg/ l, Ce = 3853,892 mg/ l dan Nd = 1696,026 mg/ l Th = 9,769 g/ l, Y = 0,430 g/ l, La = 1,283 g/ l, Ce = 3,583 g/ l dan Nd = 1,659 g/ l. Larutan umpan 25 ml diekstraksi secara catu dengan TBP – Kerosin 25 ml. Peubah proses yang dioptimasi adalah waktu ekstraksi dari 5 menit hingga 45 menit, keasaman larutan umpan dari 5 M hingga 9 M HNO3 , konsentrasi solven (TBP) di dalam kerosin dari 30 % hingga 70 % TBP. Scrubbing Larutan fasa organik hasil proses ekstraksi (ekstrak) di-scrubbing secara catu dengan larutan HNO3. Larutan fasa organik sebayak 25 ml ditambah asam nitrat ( konsentrasi dan volumenya divariasi), waktu scrubbing divariasi, setelah proses selesai fasa air dan fasa organik hasil proses scrubbing dipisahkan. Keasaman larutan HNO3 yang digunakan sebagai scrubber 5 M, perbandingan volume fasa organik terhadap fasa air 2,0 : 1 dan waktu scrubbing 25 menit (Hasil proses optimasi scrubbing) Stripping Larutan fasa organik 20 ml hasil proses scrubbing ditambah 20 ml larutan striper HNO3. 0,1 M, diaduk selama 15 menit. Fasa air dan fasa organik hasil proses stripping dipisahkan, masingmasing fasa diukur volumenya (Hasil proses optimasi stripping) Analisis Untuk mengetahui kadar torium dan logam tanah jarang di dalam larutan dan padatan dari bahan proses maupun hasil proses menggunakan

OPTIMASI EKSTRAKSI Pengaruh Konsentrasi HNO3 Larutan umpan ekstraksi atau fasa air yang digunakan dibuat dengan melarutkan konsentrat Th(OH)4 hasil proses pengolahan pasir monasit kedalam HNO3. Kadar Th dan logam tanah jarang dalam larutan umpan yaitu Th = 9.310,784 mg/l, Y = 688,457 mg/l, La = 1.370,49 5 mg/l, Ce = 3.853,892 mg/l dan Nd umpan = 1.696,026 mg/l. Percobaan optimasi peubah konsentrasi asam nitrat dalam larutan umpan dengan keasaman yang dinyatakan dalam molar HNO3 bervariasi dari 5 sampai 9M. memperoleh hasil yang dapat dilihat pada Tabel 1 dan 2 serta Gambar 1. Adapun solven sebagai fasa organik yang digunakan adalah TBP dengan konsentrasi 40 % TBP di dalam kerosin (% volume). Proses ekstraksi dilakukan dengan menggunakan perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 : 1, waktu pengadukan selama 25 menit TBP merupakan solven atau ekstraktan yang membentuk kompleks dengan logam berdasar reaksi solvasi.Tri Butil phosfat sebagai ektraktan yang sangat kuat membentuk kompleks dengan Th dan Ce(IV). Selama berlangsungnya proses ekstraksi, antara Th dan logam tanah jarang/ LTJ ( Y, La, Ce dan Nd) saling berkompetisi untuk berpindah dari fasa air ke fasa organik. Setelah terjadi proses ekstraksi, maka salah satu dari beberapa unsur tersebut diharapkan masuk ke dalam fasa organik, sedang yang lainnya tetap berada pada fasa air. Untuk dapat mengetahui koefisien distribusi (Kd) dan efisiensi ekstraksi Th dan logam tanah jarang maka dilakukan analisis fasa air (rafinat). Adapun hasil analisa dengan menggunakan spektrometer pendar sinar –X terhadap larutan fasa air (rafinat) seperti tercantum didalam Tabel 1. Semakin besar konsentrasi HNO3 dalam umpan kadar Th yang masih berada di dalam fasa air atau dalam rafinat semakin kecil, ini menunjukkan bahwa Th terekstraksi sangat baik oleh TBP. Selain itu seiring bertambahnya asam nitrat dalam umpan selain Th, LT Jjuga relatif ada kecenderungan terekstraks.


Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

227

Tabel 1. Hubungan antara konsentrasi unsur dalam rafinat hasil ekstraksi dengan konsentrasi HNO3 dalam fasa umpan (Konsentrasi TBP di dalam kerosin 40%, perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 :1, waktu ekstraksi 25 menit, konsentrasi HNO3 divariasi). Konsentrasi HNO3 dalam umpan (M) 5 6 7 8 9

Th 436,908 377,028 313,609 288,296 294,284

Kadar unsur dalam rafinat, (mg/l) Y La Ce 462,629 1287,534 3331,502 463,673 1278,4921 3275,634 453,457 1244,4203 3240,199 456,723 1205,3892 3232,926 445,629 1201,4698 3271,308

Didalam proses ekstraksi keasaman fasa air merupakan faktor yang sangat penting. Hal ini disebabkan semakin kecil konsentrasi asam nitrat maka proses pelarutan Th dalam konsentrat Th(OH)4 semakin tidak sempurna. Pada penelitian ini untuk memperoleh larutan umpan dengan yang baik pelarutan kelarutan Th(OH)4 menggunakan asam nitrat mulai keasaman 5M, sedangkan pada keasaman kurang dari 5 M banyak Th yang belum larut.

Koefisien distribusi (Kd)

Pada Gambar 1. tampak bahwa semakin tinggi konsentrasi asam nitrat dalam larutan umpan semakin besar pula harga Kd Th dan Kd LTJ, hal ini menunjukkan bahwa reaksi pembentukan kompleks HNO3.TBP(o) semakin sempurna dan pembentukan kompleks Th(NO3)4.2TBP(o) atau LTJ(NO3)3.2TBP(o) semakin sempurna pula. Hal demikian juga tampak pada Gambar1. 40 30

Th

20

Y

10

La

0

Ce 5

6

7

8

9

Nd

Konsentrasi HNO3 (M)

Gambar 1. Hubungan antara koefisien distribusi dengan konsentrasi HNO3 dalam fasa umpan Mekanisme proses ekstraksi Th dan LTJ oleh TBP dalam media HNO3 mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut : H+ + NO3 - ↔ HNO3 HNO3 (a) ↔ HNO3 (o) HNO3 (o) + TBP (o) ↔ HNO3.TBP (o) LTJ3+ + 3 NO3- + 2TBP ↔ LTJ(NO3)3.2TBP(o) Th4+ + 4 NO3- + 2TBP ↔ Th(NO3)4.2TBP(o) (a) = fasa air, (o) = fasa oganik. Dari reaksi di atas tampak bahwa selain sebagai pelarut, pengaruh keasaman umpan atau

Nd 1195,214 1189,516 1113,957 1067,194 1065,136

penambahan konsentrasi HNO3 di dalam larutan umpan menyebabkan sempurnanya pembentukan kompleks HNO3.TBP(o) yang berfungsi sebagai perantera pembentukan kompleks Th(NO3)4.2TBP(o) atau LTJ(NO3)3.2TBP(o). Pada Tabel 2 tampak bahwa nilai efisiensi ekstraksi Th sedikit bertambah besar dengan naiknya keasaman di dalam umpan yang dipakai. Hal ini karena keseimbangan reaksi (12) bergeser kekanan dan kelebihan kompleks HNO3.TBP(o) selanjutnya akan membentuk kompleks LTJ(NO3)3.2TBP(o). Selain karena berpindahnya logam dari fasa air ke fasa organik, dipengaruhi oleh parameter-parameter kimia seperti konsentrasi HNO3, juga dipengaruhi oleh parameter – parameter yang menyebabkan terjadinya difusi logam dari fasa air ke fasa organik. Salah satu faktor yang sangat berpengaruh pada kecepatan perpindahan massa dari fasa air ke fasa organik adalah besarnya konsentrasi umpan. Dalam larutan umpan konsentrasi Th paling banyak, oleh karena itu, kecepatan perpindahan massanya paling besar dan akumulasi dari massa yang berpindah menjadi semakin besar, hal ini ditandai dengan efisiensi ekstraksi ataupun koefisien distribusi Th paling besar dibanding unsur logam tanah jarang. Kondisi optimum konsentrasi HNO3 dalam umpan yang optimum dipilih pada keasaman umpan 5M, karena pada kondisi tersebut telah memberikan efisiensi ekstraksi atau harga Kd Th yang relatif besar dengan efisiensi ekstraksi atau Kd logam tanah jarang yang paling kecil. Pengaruh Waktu Ekstraksi Perpindahan masa Th dari fasa air ke dalam fasa organik ditentukan oleh nilai konstanta difusinya, sehingga perlu dipelajari pengaruh waktu pengadukan atau waktu ekstraksi. Percobaan optimasi waktu ekstraksi atau lama ekstraksi bervariasi dari 5 sampai 45 menit memperoleh hasil yang dapat dilihat pada Tabel 3, 4 dan Gambar 2 dibawah.


Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

228

Tabel 2. Hubungan antara efisiensi ekstraksi dengan konsentrasi HNO3 dalam fasa umpan (Konsentrasi TBP di dalam kerosin 40%, perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 : 1, waktu ekstraksi divariasi 25 menit, konsentrasi HNO3 divariasi) Konsentrasi HNO3 dalam umpan (M) 5 6 7 8 9

Efisiensi ekstraksi (%) Th

Y

La

Ce

Nd

95,31 95,95 96,63 96,90 96,84

5,33 5,12 7,21 6,54 8,81

6,05 6,71 9,20 12,05 12,33

13,56 15,01 15,92 16,11 15,12

29,53 29,87 34,32 37,08 37,20

Dari Tabel 3. terlihat bahwa waktu ekstraksi yang relatif optimum adalah ekstraksi dengan waktu 15 menit karena dengan ekstraksi selama 25 menit ternyata logam tanah jarang yang terekstraksi relatif cukup rendah atau kadar unsur logam tanah jarang dalam rafinat masih cukup tinggi sedangkan kadar Th nya yang ada di dalam fasa organik (ekstrak)

relatif tinggi atau dalam fasa rafinat kadar Th relatif rendah. Efisiensi ekstraksi logam tanah jarang dari Tabel 4. tampak nyata bahwa setelah dilakukan ekstraksi lebih dari 15 menit semakin besar, hal ini tentu tidak dikehendaki karena jika LTJ ikut terekstraksi maka kemurnian Th menjadi berkurang.

Tabel 3. Hubungan waktu ekstraksi dengan kadar unsur dalam rafinat. (Keasaman HNO3 dalam larutan umpan 5M, konsentrasi TBP di dalam kerosin (% volume) 40%, perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 : 1, waktu ekstraksi divariasi) Waktu ekstraksi (menit)

Th 720,342 436,908 313,609 288,296 294,284

5 15 25 35 45

Kadar unsur dalam rafinat, (mg/l) Y La Ce 663,673 1238,4921 3530,708 662,629 1187,534 3316,222 626,576 1185,901 3180,413 618,111 1143,723 3077,760 615,204 1081,671 3072,533


Semakin lama waktu ekstraksi maka reaksi semakin sempurna, Kd dan efisiensi semakin besar. Hubungan waktu ekstraksi dengan Kd Th dan Kd LTJ terlihat dalam Gambar 2. sedangkan hubungan antara waktu ekstraksi dengan besarnya efisiensi ekstraksi dapat dilihat pada Tabel 4 dan Gambar 3. 40

Th

30

Y

20

La Ce

10

Nd

0 5

15

25

35

45

Waktu ekstraksi (menit)

Gambar 2. Grafik hubungan waktu ekstraksi dengan Koefisien distribusi (Kd). Terjadinya reaksi dan terbentuknya hasil reaksi diperlukan waktu yang cukup agar reaksi dan

Nd 1483,288 1113,337 1179,286 1127,651 1107,329

hasil reaksi yang diperoleh maksimal. Semakin lama waktu ekstraksi maka reaksi pembentukan kompleks semakin sempurna, sampai waktu tertentu tercapai waktu kesetimbangan. Pada waktu ekstraksi mulai 5 sampai dengan 15 menit efisiensi ekstraksi Th diperoleh sekitar 95%, dengan bertambahnya waktu ekstraksi diperoleh efisiensi ekstraksi Th sekitar 96%, dan efisiensi ekstraksi Th terbesar pada ekstraksi selama 35 menit yaitu 96,904%. Koefisien distribusi (Kd) dan efisiensi ekstraksi diperoleh sedikit menurun pada waktu ekstraksi selama 45 menit dibanding pada waktu ekstraksi 35 menit. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada reaksi ekstraksi merupakan reaksi bolak balik atau reversible (persamaan 11), maka pada waktu ekstraksi 35 menit telah terjadi transfer massa maksimum dari fasa organik ke fasa striping. Sesudah waktu 35 menit akan terjadi kesetimbangan atau perpindahan massa bolak balik dari fasa air ke fasa organik sehingga terjadi sedikit penurunan kadar Th (solut) di fasa organik.


Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

229

Tabel 4. Hubungan waktu ekstraksi dengan efisiensi ekstraksi. (Keasaman HNO3 dalam larutan umpan 5M, konsentrasi TBP di dalam kerosin (% volume) 40%, perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 : 1, waktu ekstraksi divariasi) Waktu ekstraksi (menit) 5 15 25 35 45

Efisiensi ekstraksi, (%) Th 95,31 96,43 96,63 96,90 96,84

Y 3,82 4,19 9,05 10,28 10,70

Hubungan antara konsentrasi Th di dalam larutan ekstrak dengan waktu ekstraksi merupakan fungsi eksponensial (12), maka dari Gambar 2 waktu ekstraksi yang relatif optimal adalah 15 menit karena nilai efisiensi ekstraksi Th sudah relatif tetap, ini berarti kondisi setimbang telah dicapai. Ekstraksi yang lebih lama tidak diperlukan karena LTJ ikut terekstraksi dan hanya memperlama pekerjaan dan menambah biaya proses. Pengaruh Konsentrasi Solven Hasil percobaan dengan variasi konsentrasi TBP dalam kerosen diperoleh data yang dapat dilihat pada Tabel 5 dan 6 dan Gambar 3. Harga koefisien distribusi (Kd) dan efisiensi ekstraksi (disajikan pada Gambar 3 dan Tabel 6). Pemakaian ekstraktan TBP sangat berpengaruh terhadap pemisahan unsur-unsur didalam umpan

La 5,26 5,81 5,39 8,76 13,71

Ce 13,95 15,01 17,48 20,14 20,28

Nd 30,23 29,87 30,47 33,51 34,71

yang berupa konsentrat Th nitrat. Semakin besar pemakaian konsentrasi ekstraktan maka semakin besar pula dapat mengekstraksi unsur-unsur dalam umpan, yang ditandai naiknya harga Kd. Tetapi setelah mencapai konsentrasi tertentu nilai Kd akan semakin menurun karena pada konsentrasi ekstraktan yang semakin besar perpindahan solut dari fasa air ke fasa organik akan semakin sulit. Dalam proses ekstraksi, semakin besar konsentrasi ekstraktan dalam fasa air menyebabkan kemampuan ekstraktan untuk memisahkan solut akan semakin besar. Namun jika konsentrasi ekstraktan terlalu tinggi maka akan terjadi kesulitan proses ekstraksi karena perpindahan massa dari fasa air ke fasa organik menjadi kecil, sehingga menurunkan harga Kd dan efisiensi ekstraksi. Hal ini dapat dijelaskan melalui persamaan Stokes-Einstein sebagai berikut (13)

Tabel 5. Hubungan konsentrasi TBP dalam kerosen dengan kadar unsur dalam rafinat. (Keasaman HNO3 dalam larutan umpan 5M, konsentrasi TBP di dalam kerosin divariasi, perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 : 1, waktu ekstraksi 25 menit)

DAB =

Th 354,981 436,908 465,462 467,274 474,700

Kadar unsur dalam rafinat, (mg/L) Y La Ce 667,948 1191,671 3331,502 660,115 1180,582 3275,634 666,955 1160,790 3240,199 655,229 1027,881 3232,926 659,681 1088,701 3271,308

κT 6π rµ B

dengan : DAB K T r

µB

= = = = =

difusivitas dari A di dalam larutan encer dalam B konstanta Boltzmann suhu jari-jari partikel zat terlarut viskositas pelarut


Konsentrasi TBP (%) 30 40 50 60 70

Nd 1295,214 1283,288 1213,957 1167,194 1165,136

30 25 20 15 10 5 0

Th Y La Ce Nd 30

40

50

60

70

Konsentrasi TBP (%)

Gambar 3. Grafik hubungan antara Koefisien distribusi dengan konsentrasi TBP dalam kerosen.


Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

230

Dari persamaan tersebut dapat diketahui bahwa difusivitas berbanding terbalik dengan viskositas pelarut, sehingga semakin besar viskositas pelarut maka akan semakin mengalami kesulitan untuk berdifusi dari fasa air ke fasa organik akibatnya Kd dan efisiensi ekstraksi menjadi semakin kecil. Nilai efisiensi ekstraksi Th

sedikit bertambah besar dengan naiknya konsentrasi TBP di dalam kerosin yang dipakai. Hal ini karena keseimbangan reaksi (12) bergeser kekanan. Dengan demikian maka secara ekonomis proses yang relatif optimum adalah ekstraksi Th dengan menggunakan solven 30% TBP di dalam kerosin.

Tabel 7. Hubungan konsentrasi TBP dalam kerosen dengan efisiensi ekstraksi(Keasaman HNO3 dalam larutan umpan 5M, konsentrasi TBP di dalam kerosin divariasi, perbandingan volume fasa air terhadap fasa organik 1 : 1, waktu ekstraksi 25 menit) Konsentrasi TBP (%) 30 40 50 60 70

Th 96,187 96,433 95,001 94,981 94,902

Efisiensi ekstraksi, (%) Y La Ce 3,048 4,929 13,555 4,185 5,814 15,005 3,192 7,393 15,924 4,894 17,996 16,113 4,248 13,144 15,117

SCRUBBING Tujuan proses scrubbing pada fasa organik hasil ekstraksi adalah untuk meningkatkan kemurnian Th di dalam fasa organik hasil ekstraksi, karena pada proses ini logam tanah jarang di dalam fasa organik akan terlarut ke dalam fasa scrubber. Larutan scrubber yang digunakan adalah HNO3 5 M, penggunaan asam yang konsentrasinya relatif tinggi ini dimaksudkan untuk mempertahankan Th tetap berada dalam fasa organik. Pada keasaman yang tinggi kompleks Th(NO3)4.2TBP ikatannya lebih kuat dibanding kompleks yang terbentuk antara LTJ dengan TBP, sehingga pada proses scrubbing Th berada di dalam fasa organik sedangkan ikatan kompleks logam tanah jarang terurai dan kembali ke fasa air. Proses scrubbing dilakukan pada larutan fasa organik hasil ekstraksi (ekstrak) dari kondisi ekstraksi yang relatif optimum yaitu ekstraksi pada keasaman larutan umpan 5 M HNO3, solven 30 % TBP dalam kerosen dan waktu ekstraksi 15 menit.. Kadar unsur dalam fasa organik sebagai umpan scrubbing yaitu Th = 8955,803 mg/l, Y = 21,002 mg/l, La = 61,786 mg/L, Ce = 522,390 mg/l dan Nd = 482,689 mg/l. Hasil analisis rafinat hasil scrubbing yang dilakukan menggunakan larutan scrubber 5M HNO3, perbandingan FA (larutan scrubber) : FO(ekstrak) adalah 1 : 2 dan waktu scrubbing 25 menit diperoleh kadar Th = 897 mg/l, Y dan La tidak teramati, Ce = 250 mg/l dan Nd = 106 mg/l. Efisiensi scrubbing Th sebesar 9,61%. Larutan fasa air hasil scrubbing ini Th yang ada di dalamnya relatif rendah sedangkan logam tanah jarangnyapun sudah banyak yang terscrubbing ke

Nd 23,632 24,336 28,423 31,181 31,302

dalam HNO3, sehingga diharapkan hasil stripping nantinya diperoleh Th yang relatif murni. STRIPPING Larutan fasa organik hasil proses scrubbing relatif bebas dari logam tanah jarang, mengandung torium dengan kadar Th = 8058,803 mg/ l, Y = 21,002 mg/l, La = 61,786 mg/l, Ce = 272,390, dan Nd = 376,689 mg/ l. Pada proses stripping untuk memperoleh nilai efisiensi yang tinggi perlu dilakukan stripping dengan konsentrasi larutan HNO3- yang rendah yaitu 0,1 M. Larutan stripper dengan keasaman yang rendah ini dimaksudkan untuk menarik Th ke dalam larutan asam nitrat karena afinitas Th4+ terhadap NO3- lebih besar daripada afinitas ion-ion LTJ terhadap NO3-, sehingga Th masuk ke dalam fasa air. Hasil penelitian optimasi stripping Th dari komplek tributil fosfat – logam tanah jarang nitrat yang telah dilakukan adalah menggunakan larutan larutan 0,1 M HNO3 dengan perbandingan volume larutan HNO3 : volume fasa organik, FA : FO = 1,5 dan waktu stripping 25 menit. Dengan menggunakan kondisi proses stripping tersebut pada proses ini diperoleh larutan konsentrat Th(NO3)4 yang relatif bebas logam tanah jarang (Y, La, Ce, Nd) dengan efisiensi stripping Th = 46,13 %. Pada proses ekstraksi dan proses srubbing biasanya dilakukan dalam satu unit ekstraktor. Dari hasil proses ekstraksi di atas telah diperoleh efisiensi ekstraksi yang relatif tinggi yaitu 94,42 %, sehingga proses ekstraksi untuk pemurnian Th cukup menggunakan satu stage. Sedangkan pada proses stripping efisiensinya masih relatif rendah yaitu 46,13%, maka pada proses stripping ini dapat


Suyanti, dkk.

ISSN 0216 - 3128

dilakukan dengan multi stage, agar Th yang berada didalam fasa organik dapat terambil kembali ke fasa air lebih besar lagi.

231

3.

The role of thorium in nuclear energy, Energy Information Administration/Uranium Industry Annual, 1996, p.ix-xvii.

4.

M BENEDICT, T H PIGFORD and H W LEVI, Nuclear Chemical Engineering (2nd Ed.), Chapter 6: Thorium, 1981, McGraw-Hill, p.283-317, ISBN: 0-07-004531-3.

Hasil proses ekstraksi, scrubbing dan stripping pada kondisi optimum untuk pemurnian torium ini telah di uji di laboratorium uji bahan Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, BATAN dengan alat ICPS memperoleh sertifikasi No : 29/ LUB-PTBN/ VIII/ 2009, No sample STP(A09)12.1 mengandung Ce = tidak terdeteksi, La = 7,7885 ppm , Y= 4,5276 ppm, Sm = tidak terdeteksi dan Nd = 0,0118 ppm.

5.

KAZIMI, M.S., Thorium Fuel for Nuclear Energy, American Scientist Sept-Oct 2003.

6.

MOROZOV, et al, Thorium fuel as a superior approach to disposing of excess weapons-grade plutonium in Russian VVER-1000 reactors. Nuclear Future? OECD NEA & IAEA, 2006,

7.

PRAKASH, S., Advanced Chemistry of Rare Earth, S.Chand and Co., PVT, New Delhi, 1975.

KESIMPULAN

8.

CRC Handbook of Chemistry and Physics and the American Chemical Society.

9.

IAEA-TOCDOC-1450,“ Thorium Fuel CyclePotensial Benefits And Challenges”, May 2005.

UJI

MUTU

HASIL

PEMURNIAN

TORIUM

Kondisi optimum pemurnian Th dari percobaan di atas adalah proses ekstraksi menggunakan larutan umpan dengan kadar Th = 9310,784 mg/ l, Y = 688,457 mg/ l, La = 1370,495 mg/ l, Ce = 3853,892 mg/ l dan Nd = 1696,026 mg/ l adalah pada kondisi keasaman larutan umpan 5 M HNO3, TBP – Kerosin (30 % TBP) dan FA:FO = 1 : 1 dan waktu ekstraksi 25 menit. Pada kondisi tersebut diperoleh efisiensi ekstraksi Th = 94,42 %. Efisiensi scrubbing Th = 9,61 % dan hasil stripping Th diperoleh larutan konsentrat Th(NO3)4 yang relatif bebas logam tanah jarang (Y, La, Ce, Nd) dengan efisiensi stripping Th = 46,13 %.

UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada Bapak Kepala Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, BATAN beserta staf peneliti di laboratorium uji bahan dan Sdr. Ir, R. Subagiono serta Sdr. Ir. Djoko Sardjono, M.Sc. dari PTAPB – BATAN atas kerjasamanya sehingga penelitian ini dapat selesai sampai tersusunnya makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA 1.

Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Thorium",Thorium UIC Briefing Paper # 67September 2007.

2.

Thorium based fuel options for the generation of electricity: Developments in the 1990s, IAEA-TECDOC-1155, International Atomic Energy Agency, May 2000.

10. TREYBAL, R.E., Liquid Extraction, 2ed., McGraw Hill Book Company, New York, 1963. 11. LADDA, G.S, DEGALLESAN, T.N. Transport Phenomena in Liquid Extraction,New York: Mc-Graw Hill Publishing, Co., LTD. Hal 20 (1976). 12. R. SUBAGIONO dan MV PURWANI, Pemurnian Konsentrat Logam Tanah Jarang Secara Ekstraksi, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah, PPNY – BATAN, Yogyakarta,1992, ISSN 0216 – 3128. 13. LEVENSPIEL, O., “Chemical Reaction Engineering”, 2ed., John Wiley & Sons, New York, 1972. 14. SUPRIHATI DAN SUYANTI, ˝ Striping torium (Th) dari fasa ekstrak tributil fosfat – logam tanah jarang nitrat dengan HNO3˝Prosiding Presentasi dan Pengelolaan Pranata Nuklir, PTAPB-BATAB, Yogyakarta, 2009, ISSN1410–8178. 15. WELTY, R. JAMES; WICKS, E. CHARLES, WILSON, E. ROBERT; RORRER GREGORY. Dasar-Dasar Fenomena Transport. Volume 3.Edisi Ke-4. Terjemahan Gunawan Prasetio. Jakarta: Erlangga.(2004).


232

ISSN 0216 - 3128

Suyanti, dkk.

TANYA JAWAB Muh. Subekti − Bagaimana proses pembuatan/pemurnian Th 5 % dengan Th dari pasir sampai ke Th(NO3)4 > 90% ? Suyanti • Proses pemurnian Th dari pasir monasit sampai diperoleh Th(NO3)4 : • Peleburan pasir monasit dengan asam sulfat, untuk mengurai ikatan fosfat. • Pengenceran hasil leburan memakai es dan air, untuk mengencerkan asam dan es untuk mengurangi panas karena terjadi reaksi eksotermis.

• Penyaringan untuk memisahkan ThLTJ Sulfat dengan residu SiO2. • Pengendapan hasil leburan pH 0,85 dengan NH4OH untuk memperoleh konsentrat Th. • Peleburan konsentrat Th dengan NaOH untuk menghilangkan fosfat dan memperoleh konsentrat Th(OH)4. • Pelarutan Th(OH)4 dengan asam nitrat sebagai umpan ekstraksi. • Ekstraksi konsentrat Th dengan TBP, scrubbing dan stripping dengan HNO3 sehingga diperoleh fasa air Th(NO3)4. • Hasil analisis Th(NO3)4 dengan X-ray logam tanah jarang tidak terdeteksi, dan hasil analisis dengan ICPS unsur Ce dan Sm tidak terdeteksi, Nd = 0,012 ppm, Y = 4,53 ppm dan La = 7,79 ppm.


PEMURNIAN TORIUM DENGAN CARA EKSTRAKSI MEMAKAI TRIBUTIL FOSFAT

Recommend Documents