Sunardjo, Emy Rahmawati
ISSN 0216 - 3128
PENENTUAN KADAR Zr HASIL PENYERAPAN GEL DENGAN VARIASI KOLOM
207
SILIKA
Sunardjo*, Emy Rahmawati** *
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN
**
Mahasiswa UNY Yogyakarta
ABSTRAK PENENTUAN KADAR Zr HASIL PENYERAPAN SILIKA GEL DENGAN VARIASI KOLOM. Telah dilakukan penentuan kadar Zr hasil penyerapan silika gel dengan variasi kolom. Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan kadar Zr hasil penyerapan kolom silika gel dengan metode tetrimetri EDTA, efisiensi penyerapan, pengaruh diameter kolom dan pengaruh diameter butir silika. Caranya mula-mula disiapkan alat, kemudian larutan umpan ZrO2 dan HfCl4 dimasukkan ke dalam kolom penyerapan. Setelah waktu tertentu aliran dihentikan dan hasil penyerapan dianalisis dengan titrimetri EDTA. Percobaan divariasi dengan parameter ukuran diameter kolom dan diameter butir silika. Ukuran diameter kolom divariasi sebagai berikut: 2,00 cm dan 3,00 cm. Ukuran diameter butir silika divariasi sebagai berikut: 0,15mm; 0,18 mm; 0,30 mm dan 0,42 mm. Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: ukuran diameter kolom berpengaruh terhadap hasil penyerapan dengan efisiensi penyerapan 71,63 %, ukuran diametere bitir silika berpengaruh terhadap hasil penyerapan dengan hasil penyerapan Zr 12,288 g/l pada diameter butir 0,15 mm.
ABSTRACT DETERMINATION OF Zr CONCENTRATION ADSORBED BY SILICA GEL WITH VARIOUS COLUMNS. Determination of Zr concentration adsorbed by silica gel was caried out. The purpose of this investigation was to know the concentration of Zr adsorbed by silica gel column with EDTA tetrimetri methods, efficiency of adsorption, column diameter and particle diameter of silica gel. The experiment was performed firstly seting aparatus and the solution of ZrO2 and HfCl4 put in the column adsorption. If the exetle time the rate of solution was stoped and the yield of adsorption will be analyzed with EDTA tetrimetri methods. The experiment variated by parameters the column diameter and particle diameter of silica. Column diameter variated with: 2.00 cm and 3.00 cm. The particle diameter of silica variated with 0.15mm; 0.18 mm; 0.30 mm and 0.42 mm. The result of this investigation could be concluded that the column diameter was effected to yield of adsorption with efficiency of absorption 71.63 % and the particle diameter of silica gel was effected to yield of adsorption with yield adsorption of Zr was 12.288 g/l.at the particle diameter 0.15 mm.
PENDAHULUAN
L
ogam zirkonium dalam teknologi bahan nuklir memiliki arti yang sangat penting, yaitu digunakan sebagai bahan kelongsong bahan bakar nuklir. Logam zirkonium memiliki sifat nuklir dan non nuklir yang sangat baik. Kelongsong bahan nuklir (cladding) berfungsi untuk melindungi bahan bakar dari korosi dan menjaga agar bahan bakar tidak kontak langsung dengan medium/ pendingin moderator dalam reaktor nuklir, sehingga hasil fisi tidak tersebar keluar. Hal ini disebabkan karena zirkonium mempunyai penampang serapan neutron rendah dibandingkan dengan logam lainnya, zirkonium mempunyai sifat mekanik kuat, tahan korosi, dan titik leleh yang tinggi (1). Selama reaktor nuklir beroperasi akan terjadi reaksi fisi pada bahan bakarnya dan menghasilkan radioisotop-radioisotop hasil pembelahan yang dapat lepas ke udara. Radioisotop-radioisotop tersebut antara lain Xenon, Krypton, Iodin, dan
Bromin berbentuk bahan volatil. Pada reaktor homogen, yaitu reaktor yang bahan bakar dan bahan moderatornya berada dalam satu larutan, maka bahan hasil fisi tersebut di atas akan langsung dilepaskan dari bahan bakarnya. Dalam reaktor heterogen, yang pendingin primernya dapat berupa udara, air, atau logam cair, maka bahan fisi dapat terlepas ke pendingin primernya (2). Syarat untuk bahan kelongsong diantaranya adalah sebagai berikut: memiliki kekuatan mekanik tinggi, tahan terhadap korosi, tahan terhadap radiasi, tahan terhadap kenaikan dan penurunan suhu yang cepat, memiliki sifat perpindahan panas yang baik, memiliki tampang lintang serapan neutron rendah. Dari beberapa persyaratan dan kriteria di atas, logam yang dapat memenuhi adalah logam zirkonium (3). Salah satu metode analisis yang digunakan untuk mengetahui kadar zirkonium hasil pemisahan dengan kolom silika gel ini adalah titrimetri dengan
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
Sunardjo, Emy Rahmawati
ISSN 0216 - 3128
EDTA. Ethylendiaminetetraacetic acid (EDTA) merupakan suatu ligan heksadentat yang mempunyai enam buah atom donor pasangan elektron, yaitu melalui kedua atom N dan keempat atom O (dari OH). Kelat EDTA dengan suatu logam terbentuk begitu kokoh, sehingga EDTA sering digunakan dalam aplikasi kimia. Bahan-bahan pembentuk kelat lain sebenarnya juga sudah berkembang, namun hanya beberapa yang umum digunakan dalam analisa dan yang paling menonjol penerapannya ialah EDTA. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui efisiensi penjerapan Zr hasil adsorpsi dengan kolom silika menggunakan metode titrimetri dengan EDTA. Dalam percobaan ini digunakan zirkonia ZrO2 yang merupakan suatu material yang memiliki berbagai kegunaan, antara lain sebagai katalis dalam berbagai reaksi kimia, pendukung katalis, elektrolit padat dalam sensor oksigen, sel bahan bakar dan berbagai keramik teknik. Zirkonia sangat menarik dan penting dipandang dari sudut katalistik, karena pada permukaan zirkonia terjadi reaksi redoks dan asam-basa. Sebagai penyangga atau pendukung katalis, zirkonia dapat digunakan karena mempunyai sifat-sifat yang menguntungkan yaitu suhu tertinggi dalam penggunaan 21970C, kekuatan hancur yang tinggi, koefisien ekspansi termal yang rendah, dan tahanan kejut yang baik. Pada tekanan atmosfer zirkonia mempunyai tiga bentuk polimorfis, yaitu monoklinik (m), tetragonal (t), dan kubik (c). Pada suhu kamar zirkonia lebih banyak berada dalam bentuk monoklinik. Perubahan fase reversibel dari bentuk monoklinik menjadi tetragonal terjadi pada suhu sekitar 11700 C sedangkan perubahan monoklinik ke bentuk kubik terjadi pada suhu 23700 C (4). Adsorpsi biasanya dikelompokkan atas adsorbsi fisik (physical adsorption) dan adsorbsi kimia (chemisorption). Keseimbangan adsorbsi fisik sangat cepat dalam pencapaian (kecuali bila dibatasi oleh kecepatan transport massa dalam fase gas atau adsorben berpori) dan reversibel, adsorbat dapat dipindahkan tanpa perubahan melalui penurunan tekanan (ada yang histerisis dalam hal padatan berpori). Dimisalkan bahwa jenis adsorpsi ini terjadi sebagai akibat jenis yang sama dari sebuah gaya intermolekular non-spesifik yang berperan selama kondensasi uap menuju cairan dan dalam adsorpsi fisik, panas adsorpsi seharusnya dalam kisaran panas kondensasi. Adsorpsi fisik biasanya penting hanya untuk gas di bawah temperatur kritik, yaitu untuk uap. Adsorpsi kimia dapat cepat atau lambat dan dapat terjadi di atas atau di bawah temperatur kritik adsorbat. Dapat dibedakan secara kualitatif dari adsorpsi fisik dalam hal spesifitas kimia lebih
208
tinggi dan bahwa energi adsorpsi cukup besar untuk menunjukkan bahwa ikatan kimia penuh telah terjadi. Gas yang diserap secara kimia mungkin sulit untuk dihilangkan dan dapat disertai oleh perubahan kimia (5). Proses adsorpsi pada ion logam menjadi 3 jenis, yaitu: adsorpsi berlangsung satu tahap cepat kemudian mencapai kesetimbangan, adsorpsi berlangsung satu tahap lambat kemudian mencapai kesetimbangan, adsorpsi berlangsung dua tahap yaitu cepat dan lambat kemudian mencapai kesetimbangan(6). Silika gel merupakan salah satu padatan organik yang dapat digunakan untuk keperluan adsorpsi karena memiliki gugus silanol dan siloksan. Padatan anorganik yang digunakan secara umum adalah padatan yang memiliki sisi aktif pada permukaannya serta mempunyai luas permukaan yang besar, seperti gugus siloksan (-Si-O-Si), silanol (-SiOH), dan -Al(OH) (7). Untuk mempertinggi daya penjerapan silika gel dapat dimodifikasi dengan menambahkan senyawa yang mengandung gugus epoksi yang dapat mengikat gugus silanol pada silika gel sehingga diperoleh ikatan yang lebih stabil. Sisi ikatan ini kemudian direaksikan lagi dengan gugus -NH yang ada pada ligan organik dengan luas permukaan yang lebih besar dan stabil. Senyawa 3 merkapto 1,2,4 triasol (TRZ-8H) dapat digunakan untuk bahan pembentuk penyerapan tersebut (8). Reaksi kimia yang dapat berperan sebagai dasar untuk penetapan titrimetri dengan mudah dapat dikelompokkan dalam empat jenis, yaitu: 1. Asam-basa. Terdapat sejumlah besar asam dan basa yang dapat ditetapkan dengan titrimetri. Jika HA menyatakan asam yang akan ditetapkan dan BOH basanya, reaksinya adalah: HA + OH- → A- + H2O dan
2.
3.
BOH + H3O+ B+ + 2H2O Umumnya titran adalah larutan standart elektrolit kuat, seperti natrium hidroksida dan asam klorida. Oksidasi-reduksi (redoks). Reaksi kimia yang melibatkan oksidasi-reduksi digunakan secara luas dalam analisis titrimetri. Misalnya, besi dalam keadaan oksidasi +2 dapat dianalisis secara titrimetri dengan suatu larutan standar serium(IV) sulfat: Fe2+ + Ce4+ Fe3+ + Ce3+ Pengendapan. Pengendapan kation perak dengan anion halogen merupakan prosedur titrimetri yang meluas penggunaannya. Reaksinya adalah: Ag+ + X-
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
AgS(s)
Sunardjo, Emy Rahmawati
ISSN 0216 - 3128
Di mana X- dapat berupa klorida, bromide, -
iodide, atau tiosianat (SCN ). 4.
Pembentukan kompleks. Reagensia organik tertentu, seperti EDTA membentuk kompleks, stabil dengan sejumlah ion logam dan digunakan secara meluas untuk penetapan titrimetri logam (9).
Ethylendiaminetetraacetic acid merupakan kependekan dari EDTA, nama resmi lain ialah ethylendnitrilotetraacetic acid. Selain itu dikenal beberapa nama tak resmi, misalnya Complexon, Nullapon, sequestrene, Versene untuk garam dinatrium-EDTA (W Harjadi, 1986: 244). Struktur EDTA ditunjukkan dalam Gambar 1.
209
ZrO2 dan HfCl4 sebanyak masing-masing 2 gram dan dilarutkan dengan air raja. Larutan ZrO2 dan HfCl4 dimasukkan dalam tangki pengumpan dan sebagian dianalisis kadar Zr nya. Silika gel dimasukkan kedalam kolom dengan berbagai variasi diameter kolom dan diameter butir silika. Setelah semua peralatan disiapkan kran pengeluaran dari tangki umpan dibuka. Setelah waktu tetentu aliran dihentikan dan hasil penyerapan diukur dan dianalisis kadar Zr nya dengan titrimetri EDTA. Percobaan diulangi dengan variasi silika gel sebagai berikut: 0,3 mm; 0,18 mm; dan 0,15 mm. Kolom silika gel divariasi sebagai berikut: 2 cm dan 3 cm.
HASIL DAN PEMBAHASAN Parameter diameter butir silika Tabel 1.
Hubungan antara diameter butir silika terhadap efisiensi penyerapan Zr pada diameter kolom 3 cm
Diameter silika (mm)
Hasil penyerapan Zr (g/l)
Efisiensi penyerapan Zr (%)
0,15
12,288
71,63
0,18
10,633
61,98
0,30
10,341
60,28
0,42
8,881
51,77
Gambar 1. Struktur molekul EDTA EDTA adalah zat pengkelat (pengikat), membentuk senyawa koordinasi dengan kebanyakan logam monovalen, divalen, trivalen, dan tetravalen seperti perak Cu(II)(10).
TATA KERJA
Tabel 2.
Hubungan antara diameter butir silika terhadap efisiensi penyerapan Zr pada diameter kolom 2 cm
Diameter silika Hasil (mm) penyerapan Zr (g/l)
Efisiensi penyerapan Zr (%)
1. Bahan:
0,15
64,255
11,02
Silika gel sebagai bahan penyerap zirkonium, serbuk ZrO2 dan HfCl4 sebagai bahan larutan umpan, eriochrome cyanine sebagai bahan indikator, HNO3 dan HCl sebagai bahan pelarut ZrO2 serta EDTA sebagai bahan titrimetri.
0,18
55,177
9,46
0,30
54,604
9,36
0,42
55,744
9,56
2. Alat: Alat penumbuk dan ayakan untuk menghaluskan bahan silika gel, timbangan analitik, magnetic stirrer, stopwatch, heater, buret, untuk pemanas dan sarana analisis, termometer dan kolom silika gel untuk tempat isian bahan silika gel. 3. Cara kerja Silika gel dihaluskan, diayak dan ditimbang masing-masing 95,9 gram. Kemudian ditimbang
Dari Tabel 1 terlihat bahwa pada ukuran diameter butir silika 0,15 mm sampai dengan 0,42 mm memberikan hasil penyerapan yang semakin lama semakin turun. Pada ukuran diameter butir silika 0,15 mm memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 12,288 g/L. Kemudian pada ukuran diameter butir silika 0,42 mm memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 8,881 g/L. Hal ini disebabkan karena pada ukuran diameter butir silika tersebut sudah mengalami penurunan terjadinya penyerapan Zr dengan silika gel. Adanya penurunan luas permukaan dari silika gel
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
Sunardjo, Emy Rahmawati
ISSN 0216 - 3128
yang sangat berpengaruh dalam penyerapan Zr. Perbedaan ukuran diameter butir silika akan mempengaruhi daya serap antara silika terhadap zirkonium. Pemisahan terjadi karena perbedaan berat molekul ZrO2 atau karena perbedaan polaritas antara silika gel dengan zirkonium yang menyebabkan sebagian molekul zirkonium melekat kuat pada permukaan silika gel lebih erat daripada molekul-molekul lainnya pada larutan pengumpan. Pada silika gel dengan ukuran diameter 0,15 mm memberikan hasil efisiensi penyerapan sebesar 71,63 %. Pada adsorpsi di dalam hamparan silika gel konsentrasi fase fluida dapat berubah menurut waktu dan menurut posisinya dalam hamparan. Pada mulanya, sebagian besar perpindahan massa berlangsung di dekat tempat masuk silika gel, yaitu larutan pengumpan itu berkontak dengan adsorben segar. Silika gel mempunyai sifat isoterm yang hampir linear sampai kelembapan relatif 50%, dan kapasitas puncaknya mencapai dua kali zat padat lain. Pada kelembaban tinggi pori-pori halus itu menjadi terisi oleh larutan pengumpan karena kondensasi kapiler, dan jumlah total yang teradsorpsi bergantung pada volume silika gel itu dan bukan pada luas permukaannya saja. Silika dengan pori-pori yang besar lebih disukai untuk penggunaan fluida cair(15). Jadi kondisi yang optimum dicapai pada ukuran diameter butir silika 0,15 mm dengan memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 12,288 gram/L atau 71,63 %. Parameter diameter kolom silika Tabel 3.
Hubungan antara diameter kolom silika dengan efisiensi penyerapan Zr pada diameter silika 0,15 mm
Diameter kolom (cm)
Hasil penyerapan Zr (g/l)
Efisiensi penyerapan Zr (%)
2,00
11,023
64,25
3,00
12,288
71,63
Dari Tabel 3 terlihat bahwa pada ukuran diameter kolom 2,00 cm sampai dengan 3,00 cm memberikan hasil penyerapan yang semakin naik. Pada ukuran diameter kolom 2,00 cm memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 11,023 g/L kemudian pada ukuran diameter kolom 3,00 cm memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 12,288 g/L. Hal ini disebabkan karena pada ukuran diameter kolom 3,00 cm masih mengalami peningkatan terjadinya penyerapan Zr dengan silika gel. Karena adanya penambahan luas permukaan
210
kolom yang berarti menambah luas permukaan dari silika gel yang sangat berpengaruh dalam penyerapan Zr. Pada diameter 2,00 – 3,00 masih ada keseimbangan antara luas muka silika gel yang ada dalam kolom dengan kecepatan alir cairan sebesar 138 cc /men sehingga cairan yang ada dalam kolom dapat terdistribusi merata ke segala permukaan bahan isian silika gel sehingga penyerapan dapat lebih sempurna. Jadi kondisi yang optimum dicapai pada ukuran diameter kolom 3,00 cm dengan memberikan hasil penyerapan Hf sebesar 12,288 gram/l atau 71,63 %. Perbedaan ukuran diameter kolom juga akan mempengaruhi daya serap antara silika terhadap zirkonium. Pemisahan terjadi karena perbedaan berat molekul ZrO2 atau karena perbedaan polaritas antara silika gel dengan zirkonium yang menyebabkan sebagian molekul zirkonium melekat kuat pada permukaan silika gel lebih erat daripada molekul-molekul lainnya pada larutan pengumpan. Pada kolom dengan ukuran diameter 2,00 cm memberikan hasil efisiensi penyerapan sebesar 11,023 atau 71,63 %. Pada adsorpsi di dalam hamparan silika gel konsentrasi fase fluida dapat berubah menurut jumlah luas muka dari bahan isian dalam hamparan tersebut. Jadi kondisi yang optimum dicapai pada ukuran diameter kolom 3,00 cm dengan memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 12,288 g/L atau 71,63 %.
KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa: Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa penelitian dengan judul penentuan kadar Zr hasil penyerapan silika gel dengan variasi kolom dapat dilakukan dengan baik. Parameter diameter kolom dan diameter butir silika gel berpengaruh dalam proses penyerapan ini. Untuk Parameter diameter kolom, optimum pada ukuran diameter kolom 3,00 cm dengan memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 12,288 gram/L atau efisiensi penyerapan sebesar 71,63 %. Sedangkan untuk parameter diameter butir silika optimum pada diameter 0,15 mm dengan memberikan hasil penyerapan Zr sebesar 12,288 gram/L atau efisiensi penyerapan sebesar 71,63 %. Hasil penyerapan Zr pada diameter kolom 2,0 cm dan diameter butir silika 0,15 mm adalah 11,023 g/l. Efisiansi penyerapan pada kolom silika dengan diameter 2 cm adalah 64,25 %.
DAFTAR PUSTAKA 1.
BUNJAMIN LUSTMAN AND FRANK KERZE, JR.” The Metalurgy of zirconium”.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
Sunardjo, Emy Rahmawati
2.
3.
4.
5. 6. 7.
8.
9.
10. 11.
12.
13. 14.
15.
ISSN 0216 - 3128
First Edition, Mic Graw Hill Book Company, New York. 1955. ANWAR MUZAFFAR, 1977 Production of Hafnium Free Zirconium Tetra Chloride, Nuclear Materials Division, Pakistan Institute of Nuclear Science and Technology. BENEDICT AND PIGFORD, 1981, Nuclear Chemical Engineering New York, Mc Graw Hill. RINA KURNIATI, Penstabilan Nanokristalin Zirkonia oleh Magnesium Khlorida melalui Metode Pengendapan Basa Berbasis Prekuskor Matrik Polimer, Skripsi, Yogyakarta: FMIPA UNY. SUWARDI.Diktat Kuliah Kimia Permukaan,FMIPA UNY Yogyakarta,2001. W.HARYADI. Ilmu Kimia Analitik Dasar, Jakarta,PT Gramedia 1986. FAHMIATI DKK, Kajian Kinetika Adsorpsi Cd (II), Ni(II), dan Mg(II) pada Silika Gel Termodifikasi 3-mercapto-1,2,4-triazol, Alchemy Volume 3 No.2: 22-28 Surakarta: UNS 2004. SUNARDJO DKK. Pemisahan ZirkoniumHafnium dengan kolom Silika Gel. Prosiding PPI PDITN Yogyakarta, PTAPB-BATAN 2006. R.A DAY,JR DAN AL UNDERWOOD. Analisis Kimia Kwantitatif, Erlangga, Jakarta,1986. www.wikipedia.com/source/EDTA NURYONO DKK. Kajian Kinetika Adsorpsi Krom (III) pada Tanah Diatomit setelah Perlakuan dengan Asam Sulfat dan Asam Khlorida. Diktat Seminar Nasional Kimia Fisika, Semarang, UNDIP. 2003. G.SVEHLA. Buku Teks Analisis Anorganik Kualitatif Makro dan Semimikro Jakarta: PT Kalman Media Pustaka. 1984 www.wikipedia.org/wiki/aqua-regia K. ECKSCHLAGER Kesalah dalam Pengukuran dan Hasil dalam Analisis Kimia, Ghalia Indonesia, Jakarta.1984. WARREN L MC CABE dkk Operasi Teknik Kimia Jilid 2 Edisi ke 4 Jakarta: Penerbit Erlangga, 1990.
211
TANYA JAWAB Indra Suryawan •
Kalau digunakan diameter silika 0,1 apakah memberikan efisiensi lebih besar dari 71%, karena dengan diameter yang lebih kecil luas muka butiran akan lebih besar sehingga meningkatkan daya serap.
Sunardjo ¾ Untuk diameter 0,1 mm belum dilakukan percobaan maka belum dapat menentukan hasilnya. Tetapi melihat kecenderungannya tampaknya cenderung lebih besar. Bintarti •
Di dalam judul dinyatakan dengan melakukan variasi karbon, mengapa hanya dilakukan dua titik. Bagaimana jika diameter kolom > 3 cm memberikan penyerapan Zr atau efisiensi penyerapan Zr yang lebih besar , mengapa tidak dicoba ?.
Sunardjo ¾ Yang dilakukan untuk variasi kolom baru dua titik dan untuk sementara optimum pada diameter 3,00 cm. Untuk diameter diatas 3,00 cm sudah dilakukan tetapi karena kurang lengkap maka belum dapat ditampilkan. Damunir •
Kenapa pada diameter silika 0,18 – 0,42 mm kadar Zr yang terserap tidak berubah (9,36 – 9,56%)
Sunardjo ¾ Karena pada diameter 0,18 – 0,42 mm sudah mencapai kejenuhan dalam proses penguapan Zr. Mustamhadi •
Bagaiman pengaruh porositas butir silika dengan penyerapan ?.
Sunardjo ¾ Semakin besarporositas silika, maka penyerapan akan semakin besar tetapi ada kondisi optiomumnya.
Prosiding PPI - PDIPTN 2007 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2007
