ProsidingPresentasillmiah Daur BahanBakor Nuklir PEBN-BATAN,Jakarta 18-19Maret 1996
ISSN 1410.1998
PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF URANIUM CAIR DENGAN RESIN PENUKAR ION CAMPURAN Supardi,BusronMasduki P\lsatPenelitianNuklir Yogyakarta
ABSTRAK PENGOLAHAN LlMBAH RADIOAKTIF URANIUM CAIR DENGAN RESIN PENUKAR ION CAMPURAN. Limbah radioaktif uraniwn cair yang diolah berasaldari InstalasiTeknologi ProsesPPNY yang aktivitasnya sekitar 1,6308 x 10-4gCi/ml (pemancar a) don kandllnganuraniwnnya sekitar 480 ppm F. Metode pengolahanlimbah radioaktifuraniwn cair adalahpen\lkar ion cara terput\1S(batch)mengg\l1Iakan resinpenukarkation m.-120dan resin penukaranionm.A-400. Par8lneteryangditeliti nntaralain variasinormalitasm-J03untuk resinpenukar ion (m. 120 dan m.A 400), kecepalanpengad\lkan,lama pengad\lkan,pH limbah, clanperbandinganherat dari campuran resin penukar kation/anion. Hasil penelitian men\l1Ijukk8l1 bahwa prosespemisaJlanU denganpenukar kation maupun anion diperolehsecaraoptimal padnkondisi konsentrasim-JO)=0,5 N, pH=4, kecepalanpengadukan225 rpm dalam kurun waktu 90 menit clanmengg\l1Iukan perbandingnnherat resin terhadapvolum limbah U terhesar 5 g : 50 ml, dengannilai efisiensi pemisaJlannyn (EF) sekitar 98.99 % dan faktor dekontaminasi(FD) untuk resin kation 100,01 dan resin anion 58,87.Pengg\lnaancampllranresinkation dan anion tertinggi yaitu 2 :1 dapatmengitasilkanefisiensi tertinggi yaitu 98,94% deng8l1nilai FD 67,20. Pengg\lnaancampuranresin tersebutlebih baik daripadapenggunaan masing-masingjenis resin itu sendiri.
ABSTRACT LIQUID URANIUM RADIOACTIVE WASTETREATMENTWITH MIXTURE ION EXCHANGE RESINS.Uranium radioactive liquid waste which wa.f gemlratedfrom Process TechnologyInstalation in PPNY had the activity of 1.6308 x 10-4 ".ci/ml (a enlitter) and uranium concentration of 480 ppm F. The method used was batch ion exchangerusing cation exchangedresin (AmberliteIR-120),anion exchangedresin (lRA-400),and both of mixture resin. Theparanleter which wauld be im'e.ftigatedwas HNOJ concentration,speedand duration of agitation,pH af wastesolution and the ratio of specified(anionand cation exchanged) resin composition.The result revealedthat the optimal condition of U separationprocess using either cation or anion exchangedresin has been reached in the HNO3 concentration of 0.5 N, thepH of 4, thespeed of 225 rpm within 90 minutes of agitation, with the use of resin to solution ratio 5 g ..50 mi. The separatingefficiencyfactor (EF) obtainedwas abaout 98.99 % with thefactor of decontamination(FD) of eachcation and anion exchangedresin respectivelywas 100.01 and 58.87. The use of both cation and anion echangedresin mixture of 2.. I ratio showedthe best efficiencyi.e. EF dan JiD values of 98.94 % and 67.20 respectively.The mixedresin usagepronlising to give better result then of eachspecifiedresin.
Limbah radioaktif cair yang ditilnbulkan oleh InstaJasiTeknologi Proses PPNY jumlahnya sekitar 200 liter per tahun pada kondisi kegiatan puncak. Aktivitas limbah terscbut sekitar 1,6308 x 10-4 pCUml (pemancar 0.) daD kandungan uraniumnya sekitar 480 ppm. Pada kondisi nonnal jumlahnya kurang dari 200 liter tiap tahunnya. Limbah tersebut di atas ditampung dalam beberapa drum daD jerigen plastikl yang ditempatkan digudang limbah sebelum diolah atau digunakan untuk penelitian. Limbah radioaktif uranium cair sangat berbahaya karena selain beracun juga mengandung nuklida aktif yang umur paronya sangat panjang, yaitu U-235 mempunyai umur paruh 7,13 x 108 tahun daD U238 mempunyai umur paruh 4,49 x 109 tahun. Oleh karena itu limbah tersebut harus dikelola dengan baik daD diolah dcngan cara yang tepaf supaya pencemaran lingkungannya dapat ditckan
308
PENDAHULUAN.
sekecil mungkin atau bahkan bila dapat dihilangkan sarna sekali. Disampimg itu bila kondisi laboratorium memungkinkan uranium dapat dipungut kembali3.4 karena uranium harganya mahal dan sangat banyak digunakan dalam bahan bakar mtklir.
Berdasarkan uraian di atas maka dicari pemecahanpersoalan dengan tara penyerapan limbah radioaktif uranium cair dengan resin penukar ion buatanyaitu resin penukaranion daD resin penukar kation atau campurankedua resin tersebutdi alas. Dipilihnya resin penukar ion sebagai bahan penyerap2.S.6karena resin mempunyai struktur daD sifat-sifat dasar yang sangat baik untuk penyerapan. Kapasitas penukaranion2merupakansifat karak-teristikdari zat penukar ion. Kapasitas penukaran ion ini memmjukkanbanyaknyagugus ion yang terikat pada penukar ion tersebut untuk setiap harga satuan berat. Dari percobaan laboratorium
Pro.riding Pre.renta.ri Ilmiah Dour Bahan Bakar Nuklir PEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996
koefisien selektivitas daD efisicllsi penukar ion6 dapat ditentukan. Dalam proses penukar ion ada keuntungan dan kerugian. Keuntungannya antara lain
a. mudah dioperasikan b. harga faktor dekontaminasinyacukup tinggi hila dibandingkancarakimia biasa c. dibandingkandengan prosesekstraksipelarut. pertukaranion lebih efisien d. hila resin mengalami kejenuhan sementara dapat diregenerasi,yaitu peng\lsiran kembali ion-ion dalam gugus nmgsional dcngan aSc1m basayang lebih kuat EI R + Ex +~
Ex R + EI+
dengan : EI= ion lawan dari elektro Ex = ion lawan dari penukar ion, R penukar ion e. pemungutan radionuklida lebih selektif daD kuantitatif Kerugiannya antara lain: a. harga mahal, b. harga peralatan mahal. Hal ini d(lpal diimbangi karena resin pemlkar ion d(lp(lI diregenerasi sehingga dapat dipakai beber(lpakali. c. stabilitas terhadap sultu terbatas Operasi pertukaran ion pada umumnya dilakukan pada suhu kamar. Uranium d(llam larutan dapal membentuk senyawa UO2++ dan UO2(SO4) 2,,-2 ,dimana n = 2,3.
larutan umpan ( 480 ppm kadar uraniumnya), sertalarutan HNO)6 N yang telah divariasi dari (0,5, I, 2,5, 4, dan 6) N. Berat resin penukar ion kering masing-masingdivariasi dari (1, 2, 3, 4, dan 5)g. Dari masing-masing berat resin dimasukkankedalam erlenmeyeryang berisi 50 ml larutan limbah lalu diaduk yang divariasi dati (10, 20, 30, 45, 60, 75, 90, 120,dan 150) menit. Didapat lama pengadukan terbaik, yang selanjutnya basil ini dicari pula kecepatan pengadukanterbaik yang divariasi dari (50, 75, 100, 175,200,225,250,275,300,325,350, 375, dan 400) rpm. Dengan cara yang sarna dapat ditentukanvariasi pH terbaik dari pH 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, dan 10. Perlakuanterakhir dengancara perbandinganberat resin kation terhadap resin anionterbaikyang divariasi dari I: I, 1:2,1 :3, 2: I, 3:I,dan4:I. BASIL DAN BABASAN Dan tata kerja daD perlakuanselanjutnya didapat beberapatabel sebagai basil, kemudian dibahassepertiditerangkandibawahini. Perlu diketahui bahwa faktor dekontaminasi dising-kat FD (dalam satuan volum yang sarna) dan efisiensi disingkat EP.
Aktivitas limbah sebelumdiolah
FO= Aktivitas limbah setelah diolah
(cacahmula-mula)-(cacahakhir) Berdasarkan latar belakang masalah, tujuan serta pendekat.1ncara pemecahannya maka dibuat hipotesis bahwa resin penukar ion campuran dalam perbandingan berat tel1entu lebih baik hasil serapannya dibandingkan dengan hasil serapan dati masing-masing resin penukar ion.
TATA KERJA. Bahan yang digtmakan anlara lain a. larutan limbah dari ITP dcngan kandungan uranium 480 ppm b. larutan asam nilrat (HNO) 96%.
c. larutanNAOH 10M d. resin penukar anion (IRA-400). e. resin penukar kation (IR-200) Alat yang digunakan anlarc1 Iclin : gelc1sbekcr, gelas erlenmeyer, planscl, Iclmpu pcngcring, daD alai cacah a,p latar rcnd:1h. Sclanjutnya menyiapkan resin (IRA 400) dan (IR 120) untuk dikeringkan masing-masing scbanyclk 500 g pada pengering. Untuk resin IRA 400 pc1dc1 suhu 70°C selama:i: 18 jam,untuk IR 120 pada suhu 110°C selama:i: 18jam. Disamping ilu jugc1 mcnyiapkan
EP= (cacah mula-mula)
Resinyang digunakandisini yaitu resin IR120 kering yaitu resin dikeringkan pada suhu 110°C selama:i: 18 jam. Resin ini stabil pada suhu 110°C untuk garamnya,tapi di atas 100°C secara periahan-lahanakan bereaksi dengan air denganmembcbaskan H2SO4. Pengaruh FD daD EP terhadap berat resin dalam berbagaikonsentrasi HNO) dapat dilihat pada t...belI. Pada berat resin 5 g daD normaiitas HN03 = 0,5 N memberikanFD = 5,17 daD EP = 88,11%yang terbaik. Kurang dari itu berarti ada kotoran yang menggangguprosespertukaranion, sedangdi atas 0,5 N efisiensinya semakin kecil karena adanya pengurangan kapasitas resin. Baltkan kalau makin pekat larutan HNO) yang digunakandaDakan mel1jadirusak. Resinyang digunakan resin IRA-400 kering yaitu resin yang dikeringkan pada suhu 70°C
309
310
Prosiding Presentasi /lm;ah Daur Bahan Bakar Nuk/;r PEBN-BATAN. Jakarta 18-19Maret 1996
selama :t 18jam. Resin anion dalam bcntuk basa bebas mulai terurai pada suhu di alas 50°C, sedang garamnya stabil hingga suhu 100°C. Karena itu diambil suhu 70°C untuk pengeringannya. Pada Tabel 2 ditunjukkan bahwa berat resin 5 g daD nornlalitas HNO) 0,5 N memberikan harga terbaik pada FD=5, I dan EP = 88,11 % .
Tabcl 2. Pengaruh konsentrasi HNO] (N) terhadap faktor dekontaminasi (FD) dan efisiensi pemisahan (EP) uranium dengan resin penukar anion (IRA-400) pada berbagai be rat (g) resin --
N HNO3 0,00 0,50 1,00 2,50 4,00 6,00 0,00 0,50 1,00 2,50 4,00 6,00 0,00 0,50 1,00 2,50 4,00 6,00 0,00 0,50 1,00 2,50 4,00 6,00 0,00 0,50 1,00 2,50 4,00~Q-
FD EP % 1,46 70.74 2,39 70.91 2 07 70,95 1,72 70,84 1,63 70,82 1,55 70,77 1 59 70,81 3,10 8714 2,82 71 36 1,94 70,86 1,72 70,84 1,63 70,82 1,78 70,86 4,44 87,28 3,10 87,14 2,58 71,06 2,07 70,95 1,82 70,90 1,91 70,93 4,43 88,03 3,44 87,28 2,82 71,36 2,39 70,91 1,94 70,86 1,93 70,97 5,17 88,11 3,87 87,43 2,82 81,36 2,21 70,97 ~,-~L_~0-,-85-
Tabcl 3. Data FD dan EP dari pemisahanU
Dan Tabel 3 dapat dilihat bahwa keccpatan pengadukan terbaik dcngan sistim tcrplltus batch pada kecepatan 225 rpm. lebih rcndah dari kecepatan 225 rpm kontak yang terjadi belum sempuma/merata. Di alas kcccpatan 225 rpm basil penyerapan cendemng tumn karcna butiran resin makin halus dan jllmlah pori-pori pada permukaan butiran makin scdikit. sehingga
tl-k~
,""I1 12.~~ 94,89 :!..!.J.2 ~ ~ >
Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakor Nuklir PEBN-BA TAN. Jakarta /8- / 9 Maret /996
Dari tabel 4 dapat dilihat bahwa lama pengadukan terbaik adalah 90 menit dengan FD = 43,05 dan BP = 96,57% untuk resin anion, untuk resin kation FD = 79,69 dan BP = 96,95%. Kurang daTi 90 menit berarti kontak yang terjadi belum sempuma. Di atas 90 menit daya serap resin akan turnn karena butiran resin makin halus daD pori-pori permuka.'ln blltiran makin kecil. Apabila ter-laiu lama diadllk resin akan hancur dan rnsak. Tabel 4. Data FD dan EP dari ckstraksi U pada kecenatan oen2adukan 225 rom No. Waktu {men it) 10
~
!
20 30
4
4S
oS
60
6
7S
~~
~
2dQ.
~. ~.-
~~ ~~
..
~
75,21
90
r-88~48 I I
92.41 93.02
I
94.27 95.16 95.82 96.57i
~~~
4hoS
95,16120 150
Senyawauranium apabila dilamtkan dalam asam (dalam hat ini asam nitrat) akan membentukion komplek yang mempunyaiikatan yang kuat. Apabila pH diperbesar lebih dari 4 maka ikatan didalamuranium bentuk komplek ini akan makin kuat, sehingga akan mempersukar proses per-tukaran ion yang menyebabkan uranium yang terserap resin makin sedikit. Apabila pH diperkecilmaka suasanaterlalu asam akan dapat mengurangi kapasitas pertukaran resin penukar ion, bahkan dapat memsakkan resin seperti saat perendamandengan lamtan HNO).Berdasarkanbasil penyerapanion tersebut di atas maka untuk selanjutnya akan dicoba denganresincampurankation : anion sekitar2: 1 denganvariasi mulai dari 1:1, 1:2, 1:3,2:1,3:1, 4:1. Pacta percobaan suhu kamar (280°C) didapat hasil untuk resin kation IR 120 FD = 44,55 dan EP = 96,07%, sedangkan untuk resin anion IRA 400 didapat FD = 23,63 dan EP = 94,27%. Tabel 6. Pengaruh perbandingan berat dari campur-an resin (Kation : Anion) terhadaD FD dan EP.
No.
31,15
16.62
I : I
Tabel 5. Pengaruh pH limbah terlllldap
oenveran:tnre~in j-IRA-400
2 1
1 :2 1: 3 2: 1
~
3: J.
;;
6
a
J
94,47
~
28.46
94,27
67.25
Ket : W = perbandinganberatkation : anion
--~
~,
Dapat dilihat pada label 6 bahwa pada perbandingan berat resin kation terhadap anion = 2:1 memberikan hasil terbaik yaitu FD = 67,20 dan EP = 98,94%. ini disebabkan kedua resin
1~.94 j 95.16 I 31:42 I 94:28 91,03 9
I EP (%)15.25 ! 91,75 I
~9,79
Dan tabel 5 dapat dilihal bahwa pH limbah terbaik terhadap penyerapan resin kalion IR-120 pada pH = 4 dimana FD = 47,23 dan BP = 97,89%. Untuk resin anion IRA-400 pH = 4, FD=23,46 dan BP = 93,84cyo. Pada pH = 4 senyawa kompleks uranium akan me-ngalami ionisasi sehingga memudahkan proses per-lukaran ion dengan resin pemlkar ion. Persamaan re.'\ksinya : U02(No,n ~ U02 2, + 2 NO)' 2 If' + 2 R- + U02 2++ 2 NO}-"
llOlRl + 2 IINO)
saling menguatkan/membantu.iika perbandingan berat resin (kation : anion) < 2: 1 yaitu dari (I: I) sampai dengan (1:3) maka FD dan EP cenderung tetap yaitu EP sekitar 91 -94%. Ini disebabkan oleh makin banyak resin anion yang ditambahkan, makin banyak pula uranium yang terikat oleh resin sehingga FD dan EP naik. Dalam hal ini terdapat 2 hal yang berarti, yaitu (1) ion U dalam bentuk anion sehingga erjadi pertukaran ion, daD (2) terjadi penyerapan ion U oleh resin anion. Karena uranium yang dipakai bermuatan positip, maka scbetulnya hanya resin kation yang mampu mempertukarkan ionnya. Reaksi pertukarannya sebagai berikut : 2 fIR + UO2(NO3n <:
UO2R2+ 2 HNO3
311
Pro.riding Pre.fenla.fi llmiah Dour Bahan Bakar Nuklir
PEBN-BATAN.Jakarta /8-/9 Maret /996
sedangkan resin anion tidak mampu mempertukarkan ion dengan uranium. Jadi diduga bahwa resin anion hanya mampu menyerap uranium dipennukaan saja. Sehingga banyaknya uranium yang diserap aJeh resin anion ini tidak sebanyak resin kation. SeJain itu karena penelitian teriadi pacta pH 4 maka resin kation lebih reaktif bemlngsi sebagai pernukar ion jika dibandingkan dengan resin anion yang biasanya membutultkan pH lebih tinggi yainl pH = 9 -11. Hal tersebut didukung oJehdat.1 FD dan EP yang tinggi dengan kenaikannya yang relatif keciJjika digunakan variasi resin kation dengan perbandingan berat resin (kation : anion) > 2: I. Jadi cukup perbandingan bernt = 2: I Sc1ja berdasarkan tinjauan ekonomis.
SIMPULAN. Resin campuran (kation. : an.ion.) den.gan. perban-dingan berat (2: I) merupakan. penyerap terbaik karena dicapainya nilai optimal dari FD = 67,20 daD EP 98,94%. Nilai terscbut Icbih baik jika dj-bandingkan terlmdap nilai penycrapan resin anion IRA-400, yang menllnjukkan nilai FD = 23,46 dan EP = 93,84%. atallplln penyerapan resin kation IR-120 dengan FD = 47,23 dan EP 97,89%.
UCAPANTERIMA KASIH. Terima kasih diucnpknn oleh penulis kepndn Sc1udara Tri Suyatno atns bnntunnnyn mulni dnri awal hingga selesainya penelilinn ini. Demikinn pula ucapan sernpa kepndn Sc1udnrayang bertugns dibagian analisis.
DAFTAR PUSTAKA. 1. BAT AN," Ketentuan-ketentllan Keselamatan Kerja Terhadap Radiasi", Badan Tenaga Atom Nasional, Jakarta, 1958. 2. Robert Kumin & J. Myers, "Ion Exchange Resin",John Welly Sons, Inc, New York, 1958.
312
3. Galkin, N.P and Sudarikov, B.N, "Technology of Uranium", Israel Program for Scientific Translation,Yerusalem,1966. 4. Fischer S.A., "Effect of Gamma Radiation on Ion Exchange Resins",USAEC Report RMD2528,ResearchLaboratoryRohm and HaasCo, Feb. 1954. 5. Rukihati, "PemiSc'lhan Uranium dengan Resin Penukar Anion dan Penentuannya secara Spektrometri",MIPA U.G.M 1974. 6. "Operation and Control of Ion Exchange Processesfor Treatmentof RadioactiveWaste", TechnicalReportSeriesno. 74, Vienna, 1968. 7. SoerotoR, "Diktat Kuliah PengolahanLimbah Radioaktif', BAT AN, 1985.
TANYAjAWAB 1. Siti Amini .Bagaimana menurut pendapat Saudara, bila variasi perbandingan resin kation/anion dilakukan terlehuh dabulu, kemudian barn dilakukan optimasi kondisinya. Supardi .Saya menyatakan kurang sependapat dengan pernyataan dari penaya tersebut di atas. Hal ini, karena apabila dilakukan variasi perbandingan resin kation/anion terlebih dahulu, kemudian barn dilakukan optimasi kondisinya, maka dengan perlakuan seperti itu akan mengakibatkan terlalu banyak perbandingan resin kation/anion yang harus dilakukan/dicoba. Dengan demikian akan semakin sulit untuk menentukan optimasinya. Saya berpendapat bahwa apabila variasi perbandingan berat resin kation/anion dilakukan paling akhir, maka kondisi yang dilakukan seperti ini akan dapat memperlihatkan hasil dari masing-masing ion daD sifat kecenderungannya, sehingga untuk menentukan perbandingan berat resin kat ion/anion cenderung lebih cepat dan tepat/akurat.
