Damunir, dkk.
ISSN 0216 -3128
121
PENGARUH NETRALISASI ION NITRA T TERHADAP SIF AT FISIS KERNEL OKSmA URANIUM Damunir, lndra Suryawan,Sukarsonodaft Endang Nawangsih PuslitbangTeknologiMaju Batan, Yogyakarta. "-
ABSTRAK
PENGARUH NETRAL/SASIION NITRAT TERHADAP SIFAT FISIS KERNEL OKSIDA URANIUM Pengaruhnetralisasi ion nitrat terhadapsifat kernel oksida uranium telah diteliti. Larutan uranil nitrat yang mengandung/50 gUll dan ion nitrat 2,5 M dinetralkan denganNH40H 5 M sampai perbandingan [NH4+}I[NO3-} = /0 %. Larutan diubah menjadisol dengan menambahkan 80 g PVAlllarutan, /0 ml parafin/llarutan dan 25 ml SPAN-801llarutansambil diaduk dan dipanaskanpada suhu 80 °C selama20 menit. Untukmendapatkan gel berbentukbola, larutan sol di gelasikanke dalam larutan mediumNH40H /3,45 M Gel yang terbentukberupa bola kecil,lalu dicuci denganIsopropil alkohol,NH40H 2,5 % dan air, kemudiandisaring dan dipanaskanpada suhu /20 °C. Setelahitu dikalsinasikan pada suhu800 °C selama4 jam, menghasilkankerneloksidaU308. Dengancara yang sarna dipelajari pengaruhnetralisasi ion nitrat denganmemvariasikan perbandingan[NH4+}I[NO3-}= 20-80 %. Karaktwerisasihasil ditentukan dari sifatflSis kerneloksidaU308 berupadensitasmemakoipiknometerdenganair sebagaipelarut. Luas muka spesifik,volumetotal pori dan jari pori-pori rerata memakaisurface area meter dengangas N2 sebagai absorben,dan ukuran butir dengan mikroskopoptis. Hasil percobaan menunjukkan bahwa netralisasiion nitrat pada larutan umpangelasicampuranuranil nitrat, spandanparafin denganamonium hidroksida berpengaruhterhadapsifatfisis kerneloksidauranium.
ABSTRACT --THE INFLUENCE OF NEUTRALlZ4TION OF NITRATE ION ON PHYSICAL PROPERTIESOF. URANIUM OXillE KERNEL. The influence of neutralization of nitrate ion on properties of uranium dioxideskernelhasbeeninvertigated. Uranyl nitrate solution containing uranium of/50 gll and its nitrate of 2.5 M was neutralizedusing NH40H 5 M to the ratio [NH4+ jl[N03-jof /0 %. The solution was changedinto sol by adding SOg PVA/I. 25 ml parajinll and /0 g Span-SOII solutionswhile mixed and heatedat SO°C for 20 minuies. In order to jind sperical gel. the sol solution was droppedinto /3.45 M NH40H solution at room temperature.Theformed gel was small spherical then the gels werejiltered , washed with isoprpyl alcohol,NH40H 2,5 %, water and heated at /20 °C .After that the gels were calcined at BOO°C for 4 hours. Theformed U30S particles. Under a .\imilar method,the enfluence of neutralized ofnitrate ion by varying20-80 % ratio of[NH4+ jl[N°3-j. Characterization ofthe resulth was obtainedfrom physicalproperties oftheU30S oxidesin theform ofdensityusingpicnometer with water as a diluent. Spesificsurface area, total volume ofpores and pore diameter measuremedby using surface areameterwith N2 as absorbent. The Particle size was observed using optical microscope.The experimentresult showedthat the changing ofneutralizationion ofnitrate in uranyl nitrate with ammonium hydroxideaffected thephysicalproperties ofuraniumdioxides kernel.
PENDAHULUAN P
roses kernel
sol-gel oksida
yang
dipakai
uranium
untuk
berbentuk
pembuatan bola
dapat
dilakukan dengan proses emulsifikasi Nukem. Proses ini menggunakan bahan baku uranil nitrat, zat aditif polivinil alkohol(PV A), emulsikator parafin clan stabilisator Sorbitol mono oleat (SPAN80). Uranil nitrat dicampur dengan zat aditif, emulsikator daD stabilator pada suhu 70-90 °c dengan menghasilkan larutan sol, kemudian diubah menjadi gel U-PV A berbentuk butiran bola kecil, dengan tara meneteskan larutan sol tersebut
1
Prosiding
Pertemuan
dan Presentasi IImlah Penelitian P3TM-BATAN Yogyakarta.
kedalam kolom gelasi yang berisi larutan medium amonium hidroksida pacta suhu kamar menggunakan jarum suntik. Butiran gel memadat selama gerak jatuh vibrasi dalam kolom gelasi karena adanya reaksi antara butiran gel dengan molekul amonia, kemudian gel dicuci, dipisahkan dan dikeringkan. Gel yang sudah kering dikalsinasi untuk menghasilkan kernel oksida uranium U)O. (I) Kualitas kernel oksida uranium dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya banyaknya ion nitrat dalam larutan uranil nitrat yang digunakan sebagai umpan gelasi. Adanya ion nitrat tersebut dapat mempengaruhi proses gelasi dalam medium
Dasar IImu Pengetahuan 7 -8 Agustus 2001
dan Teknologl
Nuklir
122
ISSN 0216 -3128
amonium hidroksida sehingga menghasilkan gel tidak baik, berlekuk,mudahrusakdaDpecahmenjadi serbuk uranium dioksida pada suhu tinggi, akibatnyadapatmempengaruhikualitaskerneloksida U3O8,juga bahanbakarkernelU02. Untuk mengurangipengaruhion nitrat di atas dapat dilakukan denganbeberapacara diantaranya, dengan menetralisasiion nitrat memakai amoniumhidroksida. Banyaknyaamoniumhidroksida yang digunakanuntuk menetralkan ion nitrat dalam larutan uranil nitrat ditentukanoleh besarnya perbandingan [NH4+]/[N03"J.Padaprosesnetralisasi terjadi reaksi antara ion nitrat denganion amonium menghasilka:11partikel koloid uranil hidroksida daD amoniumnitrat sepertiberikut, UO2(N°3n + 2NH40H -:,.UO2(OHn + 2 NH4NO3
koloid
(I)
Amonium nitrat bersifat netral dan tidak bereaksidenganPVA, parafindan SPAN-80selama prosespembuatansol, s,ehinggagel yang dihasilkan cukup stabil. Garam te~;ebut dapatdipisahkandari butiran gel denganpro~;es pencucianmenggunakan Isopropil alkohol, amoniumhidroksidadan air, dan pemanasan pactasuhutinggi. Banyaknyn ll.'T!o!1il!m hid.roksida yang digunakan untuk menetralisasiion nitrat di atas mempengaruhi perbanldingan [NH4+]/[NO]"]daD juga kualitasU]O.. Jika amonium hidroksidayang ditambahkansedikit, reaksiantaraion nitrat dengan ion amonium tidak sempuma sehingga perbandingan [NH4+]/[NO]"] kecit"'dan sol banyak mengandungion nitrat, ak:ibatnyagel yang dihasilkan tidak baik, berlekuk, mudah rusak daD pecah menjadi serbuk uraniumdioksidapadasuhutinggi. Sedangkanjika amonium hidroksida yang ditambahkanbanyak, akan tc~rjadipembentukanendapan amonium diuranat(AD1J).Jadi pada perbandingan [NH4+]/[NO3"]besar, ]~adaproses peptisasi akan menghasilkansol padatdan sulit digelasikandalam larutan medium amonium hidroksida. Gel yang dihasilkan tidak baik, bentuknya tidak bulat. Menurut Yamagishi.S dan Takahashi.Y (1980), harga[NH4+]/[NO]"]paling baik berkisarantara5560 % padapH 2,75-3,05(2.3.4). Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh netralisasiiion nitrat pada larutan uranil nitrat dengan amonium hidroksida terhadap sifat fisis kerneloksidaU]O.
TATA
KERJA
Bahan
I. 2.
UO2(NO)h hasil pelarutan serbukU)O. Perancis NH4OHMerck
Damunir, dkk
3.4. HNO3Merck Polivinil alkohol Merck 5. Mono sorbitol oleat(SPAN-80) Merck 6. ParafinMerck 7. Air bebasmineral(ABM) dari P3TM 8. Bahankimia yang lain Alat I. Mikroskopoptis 2. Surfaceareaanalyzer NOVA-IOOO 3. pH meterBeckman 4. Alat laboratoriumyang lain Cara kerja Larutanuranil nitrat yang mengandung150 gUll dengankadar ion nitrat 2,5 M dimasukan dalam gelas piala 250 ml, ditambahkan amonium hidroksida NH4OH 5 M sampai perbandingan [NH4+]/[N°31=10 %, 80 g PVA/llarutan, 10 ml/l larutan SPAN-80 daD 25 ml/l larutan parafln. Sambil dipanaskanpada 80 DC, larutan diaduk selama 20 menit supaya terbentuk sol.. Untuk membuatbutiran gel, tarutao sol diteteskanke dalam larutanmedium NH4OH 13,45M pada suhu kamar dengan menggunakanjarum suntik berukuran0,85 rom. Gel yang dihasilkanberupa butiran kecil, bulat sepertibola, kemudiandiren-damdalam larutan mediumselama24 jam, lalu dicuci dengan NH4OH 2,5 %, Isopropil alkohol daD air bebas mineral,masing-masingsebanyaktiga kali. Setelah itu dikeringkan pada suhu 120 DC,lalu dikalsinasi pada suhu 800 DC selama4 jam untuk mendapatkan kernel U3O.. Setelahpercobaanselesai,percobaandiulangi untuk variasi [NH4+]/[N031=20 80%. KernelU3O. hasil kalsinasi dirikur sifat flsiknya meliputi luas muka spesiflk, volume pori total,jari pori rerata dengan alat surfaceareameter analyzerNOVA-IOOO menggunakangas nitrogen sebagaiabsorbeD.Densitas diukur dengan menggunakanpiknometerdaDair sebgaipelarut. Sedangkan bentuk permukaan kernel U3O. diamati menggunakanalat mikroskop optis.
PEMBAHASAN Pacta tabel 1 ditunjukkan bahwa netralisasi ion nitrat dengan NH4OH 5 M dalam larutan uranil nitrat dengan kadar U = 150 g/l dan ion nitrat 2,5 M yang digunakan sebagai umpan gelasi pacta proses emulsifikasi Nukem dan dicampur dengan PVA=80 g/l, parafin 25 ml dan SPAN-80 = 10 mi. berpengaruh terhadap sifat fisis kernel oksida U)O. . Besarnya volume pori total dan jari pori rerata kernel oksida U)O. dipengaruhi oleh variasi (NH4+]/(NO)-]. Dapat dilihat pacta tabel 1. besarnya perubahan sifat fisis tersebut dipengaruhi oleh variasi (NH4+]/(NO)-]. atau jumlah NH4OH 5 M
Proslding Pertomuan dan Presentasl IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl tlluklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7.8 Agustus 2001
yang digunakanuntuk menetralkanion nitrat. Pada variasi [NH4+]/[NO)1< 50 %, NH4OH5 M yang ditambahkansedikit, reaksiantaraion nitrat dengan ion amoniumtidak sempurna,sehinggapadaproses peptisasi, sol yang terbentuk masih banyak mengandungion nitrat, gel U-PVA yang dihasilkan labil, mudah pecah pada suhu tinggi. Setelah dikalsinasikan pada suhu 800 °C selama 4 jam menghasilkankernel oksida U)08 yang mempunyai permukaan berpori-pori denganvolume pori total daD jari pori rerata relatif besar. Pada variasi [NH4+]/[N0)-] = 50-70 %, reaksi antaraion nitrat daD ion amonium berlangsungsempurnadengan menghasilkan gel yang baik, bulat daD stabil. Setelah dikalsinasi menghasilkan kernel yang mempunyaipermukaansedikit berpori-poridengan volume pori total daDjari pori relatif kecil. Dan
pada variasi [NH4+]/[N03-] > 70 %, karena NH4OH 5 M yang ditambahkan banyak maka terbentuk
endapanamonium diuranat, pada proses peptisasi menghasilkansol padat, gel yang dihasilkan tidak bulat. Setelahdikalsinasikan menghasilkan kernel oksida U3O8dengan permukaan berpori-pori, daD volume pori total relatif lebih kecil dibandingkan dengan volume pori total kernel oksida yang dihasilkan pada variasi NH4+]/[N0)-] < 50 % (Gambar8) .Sedangkanukuran butir semuakernel oksidauraniumyangdihasilkanrelatif tetap, karena jumlah uranium daDPVA (pembentukkangel) yang digunakanadalah sarna. Hal ini juga dapat dilihat pada Garnbarkurva 1,2 daD3. Perubahansifat fisis tersebut dapat mempengaruhi besarnya densitas daDluasspesifikkerneloksida uranium.
Tabell. Analisis sifat fisis kernel oksida UjOS menggunakan surface area meteranalyzer NOVA-1000
Gambarkurva masing-masingdataanalisiskernelpadaTabel 1 diatasadalahsepertiGambar1 dan 2 berikut,
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Variasi [NH4..]/(NO3-], %
Gambar 1. Pengaruh variasi
perbandingan [NH4+J/[NOj-J terhadapperubahan vo-lume pori total kernel oksida
0
10
20
30
Variasi
40
50
60
[NH4+]/[NO3-),
70
80
%
Gambar 2. Pengaruh variasi perbandingan [NH4+J/[NOj-J lerhadap perubahan jari pori reratal kernel oksida UjOS
UjOS Proslding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
PadaGambar3 daD4 ditunjukkanbahwa netralisasi ion nitrat denganNH4OH5 M dalam larutanuranil nitrat diatas berpengaruhterhadap densitas luas muka spesifik kernel oksidaU30.. PadaGambar I dapat dilihat, besarnya perubahandensitaskernel oksida U30. dipengaruhi oleh besamyaperbandingan [NH4+]/[NO3"]daD pori-pori kernel oksida uranium basil kalsinasi gel U-PVA pada suhu 800°C selama4 jam. Gel U-PVA basil gelasipada variasi [NH4+]/[NO31< 50 %, setelah dikalsinasikanmenghasilkankernel oksida U3O. yang mempunyai densitaskecil. Densitaskernel paling besar bersal dari basil kalsinasil gel yang mempunyai variasi [NH4+]/[NO31=50 -60 % yaitu sebesar7,728-7,732 g/ml. Kemudian gel yang mempunyai [NH4+]/[NO31>60%, setelahdikalsinasikan densitaskernel kernelU3OSturunkembali.
dengan kernel hasil kalsinasi gel yang terbentuk padavariasiperbandingan[NH4+]/[NO]-L=50-70%.
0
10 20
30
40
50
60
70
80
90
Variasi [NH4+]/[NO3-J. %
Gambar 4.Pengaruh variasi perbandingan [NH4+J/[NOJ-J terhadapperubahan luas muka spesifik kernel oksida UJOS
PactaGambar 5, 6 dan 7 ditunjukkan bentuk permukaanmikroskopis kernel oksida 0)0. yang diukur dengan menggunakan mikroskopis pacta pembesaran 50 X. Dari gambar tersebut dapat
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Variasi [NH4]/[NO3], %
Gambar 3. Pengaruh variasi perbandingan [NH4+J/[NOj-J terhadapperubahan densita.vkerneloksidaUjOS Pacta Gambar 3 dapat dilihat, luas muka spesifik kernel oksida U30. paling besar berasal daTi basil kalsinasi gel U-PV A yang mempunyai variasi [NH4+]/[N0~1-]<50%. Setelah itu luas muka spesifiknya turun kembali sampai pactaharga paling kecil (minimum) pad;~variasi [NH4+]/[N031=50-60 %, luas muka spesifik:nya sebesar3,101-3,494 m2/g, kemudian naik kembali. Oari Gambar 1,2 dan tabel I dapat dilihat bahwa kernel yang mempunyai luas muka sesifik dan volume pori total yang kecil mepunyai densitas besar. Hal ini disebabkan adanya perbedaan pori-pori yang terdapat pada masing kernel oksida U30. . Pacta pembahasan diatas dijelaskan bahwa kernel basil kalsinasi gel yang terbentuk melalui proses gelasi emulsifikasi nukem pacta variasi perbandingan [NH4+]/[NO)-] <50 % danNH4+]/[NO)-] >70 % mempunyai pori relatif besar dibandingkan
dilihat bahwa bentuk permukaan kernel pacta Gambar 6 relatif bulat dan sedikit berpori-pori, pacta Gambar 5 bentuknya sedikit lonjong dan sedikit berpori-pori, sedangkan pactaGambar 7 permukaannyapecah,berpori-pori dan tidak bulat sempurna.
Gambar 5. Ben/uk permukaan mikroskopis kernel oksida UjOS. hasil proses kalsinasi Gel U-P VA yang mempunyai [NH4+J/[NOj-J = 50 % pada suhu BOO°C selama 4 jam
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
Damunir, dkk.
ISSN 0216 -3128
Dari basil percobaan tersebut dapat dipahami bahwa kualitas kernel kernel oksida U3Og paling baik yang dihasilkan dengan menggunakan proses emulsifikasi nukem adalah pacta kondisi netralisasi ion nitrat dengan NH4OH pacta variasi [NH4+]/[NO3-] = 50-60 %. Hal ini mirip dengan basil yang dilaporkan Yamagishi.S dan Takhashi.Y yaitu perbandingan [NH4+]/[NO3"]=55-60 % (3)
oleh pada
KESIMPULAN
2. 3
Pengaruh ion nitrat dalam uranil nitrat pacta proses emulsifikasi Nukem dapat dilakukan dengan amonium hiroksida. Perubahan variasi [NH. +]/[NO]-] berpengaruh terhadap sifat kernel oksida U]Og Kondisi [NH4+]/[NO]-] terbaik adalah = 50 60%, dimana dihasilkan kernel oksida U]Og dengan densitas 7,728 -732 g/1, luas muka spesifik =3,101-3,494 m2/g, volume pori total = 3,644 -3,729 eo3cc/g, jari pori rerata = 21,785-24,895 A
dan
ukuran butir= 1390-
1325 Jl m
SARAN Karena mengingat masihbanyaknya hasil butiran yang pecahpada saat pemanasan,maka masih perlu dilakukanpenelitianlebih lanjut.
DAFTAR PUSTAKA
---"
Gambar 6. Bentukpermukaanmikroskopiskernel oksida U308. hasil proses kalsinasi Gel U-PVA yang mempunyai{NH4+jl{NO3-j = 60 % pada suhu800 °C selama4jam
1. DJOKOLELONO,M., SOENTON,S., SUSANTO, B.G.," Studi Penggunaan Reaktor Suhu Tinggi untuk Produks listrik dan Proses Industri di Indonsia", Prosiding PPI Penelitian uasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, PPNY BAT AN, Yogyakarta 1997. 2. NICKEL,H.," Develoment of Coated Fuel Particles, KF A Contributions Within the Frame of German High Temperature Reactor Fuel Development Program, Kernforscunganlage, KFA, Julich-684-RW, August (1970) Translation. 3. YAMAGISHI,S and TAKAHASHI,Y.," Prep~ration of ThO2-UO2 Sol With Uranium Constain of 0 -35 % for Gelation into Microspheres in CCI4 -Ammonia Media", Journal of Nuclear Science and Technology, 23(8) pp 45 -55, August 1980.
Gambar
7.
Ben/uk permukaan mikroskopis kernel oksidaUJO8. hasil proses kalsinasi yang mempunyai {NH4+J/{NOJ-J = 70 % pada suhu 800 °C selama4jam.
4. ZIMMER,E., GANGUALY,C., BORCHARDT, J and LANGEN,H., "SGMP Advanced Method for Fabrication of UO2 and MOX fuel Pellet", Journal of Nuclear Material, 152(1988) 169 -1777, NorthHolland, Amterdam.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
126
ISSN 0216 -3128
TANYAJAWAB Moch. Setyadji -Dikatakan bahwa netralisasi dengan NH4OH hanyapadapH 1 -3 karenapadapH dibawah 1 NH4NO3 yang terbentuk dalarn bentuk ion, sehinggaberpengaruhpada gel yang terbentuk. Apakah tidak sebaliknya, justru dijaga agar NH4NO3 yang terbentukdalarn bentuk ion agar terpisahdari gel yangterbentuk. -Bagaimana kalaukarakterisasinya padaUO2. Damunir -Da/am proses ge/asi Emu/sifikasi Nukem dan prosesge/asiyang lain, NH4HOj yang terbentuk ada/ah mo/eku/ bukan ion N~ dan NOjmudah dipisahkan dari butiran Ge/ U-PVA me/a/uiprosespencz.rcian denganNH40H 2,5 % dan air. -Proses netra/isasi ion NOj- pada /arutan umpan UO2(NOj)2 sangat berpengaruh terhadap karakterisl~i hasi/ ge/asi yaitu sifat fisis Ge/ U-PVA. butiran UjOS hasi/ ka/sinasi Ge/danjuga UOl h4~i/redukri U30S. Arie Pramudji -Pada proses netralisasi penambahanNH.OH mangbasilkanbasil samping NH.NO). Apakah padaNH. NO) ion l~H+ menjadi donor elektron padakomplek :
Damunir, dkk
Damunir -Ada duGbuahasumsiuntukmenerangkanproses netralisasipadaprosesgelasi: 1. Molekul NH4NOj yang terbentuk pada proses netralisasi dengan NH40H dalam larutan UO2(NOj)2 adalah berbentuk molekul, tetapi hila keasamannya tinggi NH4NOj terionisasi menjadi NH4+ don NOj-. NH4+ kemudian bersifat sebagai donor elektrondon bereaksidenganmolekul sol + + \ I PV A-O -U- 0- PV A
I \ + +
berikatan secara koordiansi pada orbital UO2+2yangkosong. 2. Jika keasamanlarutanUO2(N°3)2 rendah, pH J -3, NH4NO3 yang terbentuk adalah berbentuk molekul NH4NO3 tidak terionisasi don tidak bereaksi dengan sol. Donor elektron NH+ berasal dari larutan mediumNH40H don berdifusi ke dalam gel U-PVApadasaargel!'l.\'iherlang~ung.
Difusi
Gel U-PVA
NH)
+ + \ I PV A-O -U- 0- PV A I \ + +
atautidak, mengin!~at NH.NO] tidak terion atau apakahdonor elektron(NH+) tersebutdiperoleh dari medium.
Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar limu Pengetahuan dan Teknologl t-luklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001
