PENGARUH UKURAN BUTIR KOLOID TERHADAP DEPOSISI KOLOID PADA TANAH SEKITAR FASILITAS PENYIMPANAN LESTARI LIMBAH RADIOAKTIF

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengelolaan Limbah VIII Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN Pusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

PENGARUH UKURAN BUTIR KOLOID TERHADAP DEPOSISI KOLOID PADA TANAH SEKITAR FASILITAS PENYIMPANAN LESTARI LIMBAH RADIOAKTIF Heru Sriwahyuni, Suryantoro *) ABSTRAK PENGARUH UKURAN BUTIR KOLOID TERHADAP DEPOSISI KOLOID PADA TANAH SEKITAR FASILITAS PENYIMPANAN LESTARI LIMBAH RADIOAKTIF. Telah dilakukan kajian pengaruh ukuran butir koloid terhadap deposisinya pada tanah sekitar fasilitas penyimpanan lestari limbah . Fasilitas penyimpanan lestari limbah radioaktif dalam jangka lama akan terdegradasi sehingga kemampuan pengungkungannya terhadap limbah radioaktif menurun atau gagal. Hasil degradasi tersebut dapat berupa material-material halus yang berfase koloid yang sangat mudah bergerak. Disamping itu di dalam air tanah juga terdapat partikel koloid alami dengan ukuran butir yang beragam dan mempunyai kecepatan pergerakan hampir sama dengan kecepatan aliran air tanah. Kedua jenis koloid tersebut dapat mengadsorpsi nuklida-nuklida yang bermobilitas rendah maupun tinggi sehingga mempercepat transportnya dengan kecepatan seperti aliran air tanah. Secara fisik lapisan tanah terdiri dari butiran-butiran hasil pelapukan dari batuan yang bersifat seperti saringan halus. Ukuran butir koloid di alam bervariasi dengan orde nanometer hingga mikrometer. Mekanisme filtrasi dapat terjadi pada ukuran koloid yang besar sehingga mobilitasnya terhenti, sedangkan ukuran koloid yang kecil akan lolos. Kata Kunci: koloid, penyimpanan lestari, limbah radioaktif ABSTRACT THE EFFECT OF COLLOID SIZE ON ITS DEPOSITION ON SOIL SOROUNDING RADIOACTIVE WASTE DISPOSAL FACILITY. Assessment on the effect of colloid size on its deposition on soil has been conducted. A Radioactive waste disposal facility degrades for long periods, furthermore its ability to isolate waste decreases or fail. The degraded facility can be fine materials, which form as mobile colloids. Whereas natural colloids, which migrate close to or same as ground water flows are abundant and may vary in sizes. Both of sort colloids may adsorb nuclides, which have slow or fast mobility and accelerate the nuclides transport as fast as ground water flows. Physically soil layers that may action as fine filters compose of fine grains generated from rocks degradation. The sizes of colloids may vary in nanometer up to micrometer range order. Filtration mechanism occurs for bigger colloids stopping their mobility, for smaller colloids compared to bigger soil pores their mobility could not be stopped. Keywords: colloid, disposal, radioakctive waste

PENDAHULUAN Di dalam air tanah, transport koloid yang mampu mengadsordsi ion-ion aktinida sangat perlu dipelajari terutama dikaitkan dengan unjuk kerja dari sistem penyimpanan limbah radioaktif. Di dalam air tanah, koloid berperan menjadi fase ke tiga yang mempunyai fase bukan larutan dan juga bukan padatan. Fase ini dapat meningkatkan jumlah aktinida yang dapat bermigrasi ke aquifer [1-4]. Transport koloid ini dapat dihambat dengan filtrasi. Karena ukurannya yang relatif besar dibandingkan dengan larutan, maka koloid mempunyai

*) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN

sifat yang sangat berbeda dengan unsur terlarut. Maka untuk mempelajari transport koloid pengkajian harus difokuskan pada migrasi koloid, terutama pada mekanisme filtrasi yag bertujuan untuk menghambat migrasi koloid, sehingga dapat menurunkan angka ketidakpastian di dalam sistem penyimpanan lestari limbah radioaktif. Mekanisme filtrasi telah banyak dipelajari misalnya pada pengolahan air dan transport dari kontaminan koloid dalam air tanah. Pada transport koloid, yang mempunyai ukuran lebih kecil dibandingkan dengan pathway hanya akan terhenti jika

211


gaya tarik menarik mendominasi dan ketika bertumbukan pada permukaan. Fenomena ini disebut deposisi. Apakah material itu nantinya menempel atau tidak tergantung interaksi antara partikel dan permukaan. Interaksi ini dapat dijelaskan dengan teori stabilitas koloid Derjaguin-Landau and Vervey-Overbeek (DLVO) [5]. Effisiensi dari deposisi koloid dapat dihitung dengan persamaan konveksi difusi. Persamaan tersebut diselesaikan dengan pendekatan (aproksimasi) terhadap keadaan koloid dan solid padatan bermuatan sejenis. Kondisi seperti ini nampak pada lingkungan hampir semua lingkungan air subsurface. Penelitian menunjukkan efisiensi yang diperoleh melalui percobaan beberapa order lebih tinggi daripada harga yang dihitung. Perbedaan ini dijelaskan dengan adanya kekasaran permukaan pada kolektor dan permukaan koloid. TEORI Mobilitas koloid dipengaruhi oleh perubahan kimia larutan yang mengubah interaksi gaya- gaya antara permukaan koloid dan butiran aquifer. Gaya antar muka itu terdiri dari gaya tarik menarik Londonvan der Waals dan gaya tolak menolak (repulsi). Hasil netto dari interaksi kedua gaya permukaan tersebut dijelaskan dengan teori DLVO. Agar koloid dapat bergerak perubahan kimia larutan harus menghasilkan gaya repulsi pada permukaan koloid dan butiran yang lebih besar dari gaya tarik menariknya[5]. Energi potensial total, Фtot (kurva garis kontinyu), adalah jumlah dari (1) energi

ISSN 1410-6086

potensial double layer (lapisan ganda), Фdl, (2) energi potensial van der Waals ,ФvdW, dan (3) energi potensial born ,ФBom, merupakan energi repulsi berjarak pendek. Kurva energi potensial total mempunyai sumuran tarik menarik dalam pada jarak pemisahan yang sangat pendek, (Фmin1), energi repulsi barrier, (Фmax1), dan sumuran tarik menarik dangkal pada jarak pemisahan yang lebih besar. (Фmin2), energi potensial dinyatakan dalam kB T. Teori DLVO menjelaskan interaksi antara gaya tarik menarik dan gaya repulsi antara permukaan koloid dan permukaan butiran dengan fungsi energi potensial antar muka. Energi potensial antar muka dibentuk oleh penjumlahan antara London-van der Waals dan energi potensial repulsi dalam fungsi jarak antara koloid dan butiran interaksi ini dijelaskan pada Gambar 1 di atas. Energi potensial double layer terjadi dari overlaping difus awan ion (double layers) yang terakumulasi di dekat permukaan bermuatan untuk mengimbangi muatan permukaan. Jika permukaan yang berinteraksi bermuatan sejenis maka energi potensial double layer akan tolak- menolak. Jika muatan permukaannya bertolak belakang energinya akan tarik menarik. Kesemuanya dapat diformulasikan bahwa energi potensial double layer sangat sensitif terhadap variasi dari [5] : 1. Potensial permukaan koloid dan kolektor 2. Kekuatan ion larutan 3. Ukuran butir koloid

Gambar 1. Energi potential DLVO sebagai fungsi jarak pemisahan antara koloid dan kolektor [5].

212


ISSN 1410-6086

WATER FLOW STATIONARY PARTICLE CONTAMINANT BOUND TO STATIONARY PARTICLE MOBILE PARTICLE

CONTAMINANT IN SOLUTION

CONTAMINANT BOUND TO MOBILE PARTICLE

Gambar 2. Ilustrasi transpor radionuklida di dalam air tanah (koloid yang bergerak berpotensi mempercepat transport radionuklida)[7].

KEBERADAAN KOLOID DALAM AIR TANAH

PERCEPATAN TRANSPORT KOLOID

Mc Carthy dan Degueldre menyimpulkan bahwa koloid terdapat melimpah dalam air tanah dan berada dimana-mana[6]. Koloid terdeteksi dalam berbagai sampel air tanah yang dikumpulkan dari berbagai macam macam aquifer dengan formasi geologi yang bervariasi. Dalam laporannya, Mc Carthy dan Degueldre mengamati bahwa kelimpahruahan koloid dipicu oleh perubahan hidrogeokimia dalam sistem aquifer, terutama pada kegiatan penyimpanan lestari limbah radioaktif[6]. Studi menunjukkan perubahan kimia larutan mengakibatkan peningkatan interaksi repulsi antara koloid dan kolektor sehingga memobilitasi koloid[6].

Di dalam air tanah sebagian besar fase koloid bersifat sebagai sorben yang efektif terhadap kontaminan yang berkelarutan rendah karena koloid mempunyai ukuran yang kecil dan luas permukaan yang besar. Koloid anorganik banyak terdapat dalam air tanah seperti tanah liat, oksida-oksida logam, karbonatkarbonat yang sangat efektif mengadsorpsi radionuklida dan logam-logam dengan cara pertukaran ion dan reaksi komplek pada permukaannya. Jika asosiasi koloid dengan kontaminan tidak kuat maka adanya koloid tidak menjamin adanya transpor kontaminan yang diemban oleh koloid terjadi[6]. Gambar 2 menggambarkan mekanisme transpor koloid yang mungkin terjadi di dalam air tanah.

Gangguan juga pada hidrolik aquifer dapat meningkatkan timbulnya koloid, contohnya kecepatan aliran yang tinggi melalui retakan batuan, infiltrasi oleh hujan deras peningkatan laju pemompaan selama pengambilan sampel dan lain-lain. Gangguan-gangguan itu akan meningkatkan konsentrasi koloid dalam air tanah.

PENGARUH UKURAN BUTIR TERHADAP DEPOSISI Di dalam aquifer ukuran pori pathway sangat beragam demikian halnya dengan ukuran koloidnya. Koloid dengan ukuran butir yang besar misalnya 2000 nm akan terfiltrasi dalam ukuran pori pathway yang lebih kecil, dan atau pada ukuran pori pathway yang lebih besar dan terjadi

213


penumpukan koloid akibat interaksi double layer yang mempersempit pori pathway sehingga mobilitas koloid selanjutnya terhambat. Secara teori pengaruh ukuran butir koloid dapat diterangkan dengan persamaan sebagai berikut[7] :

φT =φv +φ E

(1)

dimana ФT = energi interaksi total, φv = −

 ap A ap h + ln  +  h + 2a 6  h h + 2a p p 

   

(2)

2ππ p nkT κ

2

(Φ

2 1

)

+ Φ 22 [

ap 2Φ 1Φ 2 + 2 2 Φ1 + Φ 2 h + 2a p

1 + exp( −κh)  xln   + ln{1 − exp( −2κκ )}] 1 − exp( −κh) 

(3)

dimana, κ2 danΦ adalah:

κ 2=

2 e2n εkT

(4)

Φ=

eψ kT

(5)

karakter n, e, ε,ψ, dan subscript 1, 2 berturut-turut adalah densitas bulk ion, muatan elektron elementer, konstanta dielektrik air, potensial permukaan dan indikasi dari partikel dan kolektor. Dari persamaan-persamaan di atas dapat diketahui adanya hubungan antara ukuran partikel koloid dengan energi potensialnya. Semakin besar ukuran partikel gaya tarik menarik van der Waals semakin tinggi sehingga koloid bertendensi untuk membentuk agregat, sedangkan semakin kecil ukuran koloid gaya tarik menarik semakin kecil dan gaya tolak menolak semakin besar sehingga koloid berada pada kondisi stabil dan mampu bermigrasi sesuai

214

Фv = energi interaksi van der Waals, ФE = energi interaksi electrical double layer. Selama ukuran koloid lebih kecil dari ukuran kolektor, interaksi dari koloid dan butiran dapat diasumsikan bahwa kolektor sebagai infinite plane dan koloid sebagai partikel sferis. Selanjutnya interaksi van der Waals dapat dinyatakan sebagai[7]: dengan kecepatan air tanah.

CALON TAPAK POTENSIAL PENYIMPANAN LESTARI LIMBAH RADIOAKTIF

A adalah konstanta Hamaker, ap jari-jari partikel, h jarak pisah antara dua permukaan. Energi potensial (Electrical Double Layer) EDL untuk permukaan bola dan plane infinit diformulasikan sebagai berikut [7]:

φE =

ISSN 1410-6086

Kegiatan penyiapan tapak untuk penyimpanan LR di P.Jawa dan sekitarnya ini sebenarnya telah dimulai sejak lama, dimana kegiatan terdahulu telah dilakukan pada sejumlah wilayah yang ditunjuk oleh BATAN. Seperti kegiatan : (1). Survei di Kepulauan Karimunjawa (1989-1990), yaitu di Pulau Genting, menunjukkan basaltic lava host rock, dan di Pulau Parang, menunjukkan basaltic lava host rock) , (2) Survei di Kepulauan Masalembu (1989-1990), yaitu di Pulau Masalembu, menunjukkan andesitic lava host rock, di Pulau Masakambing, menunjukkan andesitic lava host rock, dan di Pulau Keramaian, menunjukkan andesitic lava and sandstone host rocks, (3) Evaluasi data sekunder PPTN Serpong (1990–2005), menunjukkan volcanic host rocks (tuff, conglomeratic tuff, tuffaceous sandstone), (4) Survei di Semenanjung Muria (1990-2005), menunjukkan volcanic host rocks[8-11]. Untuk melengkapi studi host rock fasilitas disposal limbah radioaktif maka batuan lempung perlu pula untuk diintroduksikan sebagai salah satu calon host rock disposal limbah radioaktif karena termasuk jenis batuan yang juga telah dipakai untuk lokasi disposal limbah radioaktif di negara lain[12-13]. Selanjutnya pada tahun 2006 secara selintas telah dilakukan studi pustaka dan pengecekan singkat ke lapangan dengan hasil diperolehnya beberapa wilayah yang menarik seperti Karawang, Subang, Majalengka, Tambakrogo, Tuban dan Madura. Dari jenis batuan pada calon tapak potensial penyimpanan lestari limbah radioaktif yang telah di survey,


kebolehjadian timbulnya koloid yang berasal dari material alami sangat besar. Contohnya batuan tuff, conglomeratic tuff, tuffaceous sandstone, lempung sangat berpotensi untuk membentuk koloid alami yang nantinya akan mempercepat transpor radionuklida dari fasilitas penyimpanan lestari limbah radioaktif ke biosfir. Selain dari jenis batuan, curah hujan yang tinggi dengan periode dan perubahan intensitas merupakan keadaan alami yang akan mempengaruhi kestabilan batuan sehingga pembentukan koloid alami dapat terjadi dengan populasi dan ukuran yang bervariasi.

3.

4.

5.

6.

KESIMPULAN Pada sistem penyimpanan lestari baik yang berupa penyimpanan pada tanah dangkal dan formasi geologi dalam (deep geological), kehadiran koloid dapat mempercepat transpor radionuklida ke biosfir. Aktinida yang tidak mudah berpindah (immobile), akan dapat bermigrasi dengan sangat cepat seperti kecepatan air tanah bila diemban oleh koloid. Untuk itu perlu dilakukan kajian yang lebih mendalam tentang transpor radionuklida yang dipercepat oleh adanya koloid. Secara teori pergerakan koloid sangat dipengaruhi oleh ukuran butirnya. Hal ini dapat dilihat dari persamaan DLVO yang menyatakan bahwa gaya van der Waals sangat dipengaruhi oleh radius dari koloid. Berdasarkan studi tapak potensial penyimpanan lestari limbah radioaktif kebolehjadian timbulnya koloid alami dari batuan sekitar tapak sangat besar.

7.

8.

9.

10.

PUSTAKA 1.

2.

PENROSE W. R., POLZER W. L., ESSINGTON E. H., NELSON D. M., and ORLANDINI K. A., “ColloidFacilitated Transport of Strongly Sorbing Contaminants in Natural Porous Media: ALaboratory Column Study”. J. Sci. Technol., 30 P. 3118-3123 (1996) . MAGARITZ M., AMIEL A. J., RONEN D., WELLS M. C., “Distributions of Metals in a polluted aquifer: A comparison of aquifer suspended material to fine sediments of the adjacent environment”. J. Contam. Hydrol., 5 (1990) 333.

11.

12.

13.

ISSN 1410-6086

AMRHEIN C., MOSHER P. A., and STRONG J. E., “Colloid-assisted transport of trace metals in roadside soils receiving deicing salts”. Soil Sci. Soc. Am. J., 57 P. 1212-1217 (1993). GROLIMUND D., BORKOVEC M., BARMETLLER K., and STICHER H., “Colloid Facilitated Transport in Natural Porous Media” Environ. Sci. Technol. 1996, 30, 3118-3123. RYAN J. N., and ELIMELECH M., Colloids and Surfaces, A: Physicochemical and Engineering Aspects 107 (1996) 1-56. Mc Carthy, JF, and C. DEGUELDRE, Sampling and characterization of colloids and particles in groundwater for studying their role in contaminant transport, in Environmental Particles , vol. 2, edited by J. Buffle and HP van Leeuwen, chap. 6, pp. 247–315, Lewis, Boca Raton, Fla., 1993. CHINJU H., NAGASAKI S., TANAKA S., SAKAMOTO Y., TAKEBE S. And OGAWA H., “Effect of flow field on colloid deposition in filtration process of polystyrene latex particles through columns packed glass beads”. Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 38, No. 8, p. 645-654 (August 2001). ITB, Preliminary Site Investigation for Radioactive Waste Repositories (Masalembu Islands), ITB-Bandung 1989. ITB, Preliminary Survey at Genting and Parang Islands for The location of Radioactive Waste Repository, ITBBandung 1990. SUCIPTO, ¨Evaluasi Pendahuluan Geologi Lingkungan Untuk Calon Lokasi Penyimpanan Limbah Radioaktif PLTN Daerah Muria Bagian Utara¨, Pros. Seminar Teknol. dan Keselamatan PLTN, PPTKR/PRSG-BATAN, Serpong, DBBL2-1 (1995). SUCIPTO, ¨Pemilihan Tapak Penyimpanan Limbah Radioaktif di Kawasan PUSPIPTEK Serpong, J.Teknol. Pengelolaan Limbah Vol.9(2), p.28 (Des. 2006). www.world-nuclear.org/info/inf94.html, Nuclear Power in Belgium (August 2007). www.uic.com.au/nip28.htm, Nuclear Power in France, Briefing Paper 28 (Dec 2007).

215


216

ISSN 1410-6086

PENGARUH UKURAN BUTIR KOLOID TERHADAP DEPOSISI KOLOID PADA TANAH SEKITAR FASILITAS PENYIMPANAN LESTARI LIMBAH RADIOAKTIF

Recommend Documents