PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
PENANGANAN
EFLUEN BERKANDUNGAN FLUOR (F) SECARA ELEKTRODIALISIS Hendro Wahyono, Sunardi
Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, BATAN ABSTRAK PENANGANAN EFLUEN BERKANDUNGAN FLUOR (F) SECARA ELEKTRODIALISIS. Salah satu keluaran dari unit konversi pada pembuatan elemen bakar nuklir reaktor riset berupa efluen, yang masih memiliki kandungan U /50 ppm dan harus dipungut kembali. Namun efluen yang berasal dari filtrat pada proses penyaringan Amonium Uranil Karbonat (AUK) masih memiliki kandungan Fluor yang tinggi yang dapat mengurangi efektivitas proses pemungutan Uranium, oleh karena itu kandungan Fluor dalam efluen tersebut harus diturunkan sebelum melakukan proses pemungutan Uranium. Percobaan dilakukan di dalam sebuah sel elektrolitik yang tereiiri dari dua buah bilik, yaitu bilik anoda dan bilik katoda dengan selembar membran tukar anion diselipkan ditengahnya. Sel terbuat dari bahan f1eksiglas berukuran 4 cm x 4 cm. Larutan elektrolit berupa 100 ml HN03 0,3 M diletakkan di dalam bilik anoda dengan elektroda Pt. Larutan uranil nitrat 100 ml dengan konsentrasi masing-masing 100 dan 5000 mg U/L dan larutan NaF 0,3 M diletakkan di bilik katoda dengan elektroda karbon. Jarak antara kedua elektroda dengan membran dibuat tetap yaitu 1,5 cm. Jumlah Fluor diamati sebagai fungsi waktu dan tegangan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa tegangan operasi optimal dalam sel adalah 14 volt dan Membran Tukar Anion dapat menurunkan kandungan Fluor hingga 75% untuk konsentrasi 100 mg U/L dan 65% untuk konsentrasi 5000 mg U/L. Hasil percobaan ini diharapkan sebagai asupan untuk meningkatkan efektivitas proses pemungutan uranium dalam efluen. ABSTRACT HANDLING OF FLUOR (F) CONTENT EFFLUENT BY ELECTRODIAL YSIS. One output of conversion unit of nuclear fuel element fabrication of research reactor is effluent, that has still U content /50 ppm and must be recovered . However, effluent that originates from filtration process of Ammoium Uranyl Carbonate has still high Fluor content, that can decrease effectivity of Uranium recovery process, therefore, Fluor content in the effluent must be decreased before performing Uranium recovery process. Experiments have be done in an electrolytic cell that consists of two chambers, namely anode chamber and cathode chamber with anion exchange membrane inserted in the middle of both chambers. The cell made from f1exiglass material of 4 cm x 4 cm. Electrolyte solution of 100 ml HN03 0,3 M is put down in anode chamber with electrode Pt. Uranyl nitrate 100 ml with each concentration 100 and 5000 mg U/L and Solution of NaF 0,3 M is put down in cathode chamber with carbon electrode. Distance from both electrodes to membrane is kept at 1,5 cm. Quantity of Fluor is observed as function of time and voltage. The experiment result showed that optimum operation voltage in the cell is 14 volts and Anion Exchange Membrane( AEM ) can reduce Fluor content up to 75% for concentration of 100 mg U/L and 65% for concentration of 5000 mg U/L. The experiment result is expected as an input in effectively improving uranium recovery process in the effluent.
PENDAHULUAN
Salah satu pembuatan 210
keluaran dari unit elemen bakar nuklirkonversi reaktor pada riset
berupa etluen. Oalam proses kimia pad a unit konversi untuk mendapatkan bahan induk yang berupa amonium uranil karbonat (AUK),
ISSN 1410 - 8178
Hendro Wahyono, dkk
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 menggunakan
bahan dasar uranium heksaflourida
(UF6).
Selama proses konversi kimia berlangsung, bahan dasar UF6 direaksikan berturut-turut dengan reagen gas NHJ dan CO2 dengan media (NH4)2C03 bersama air bebas mineral dalam tangki endap pipih. Proses pembentukan bahan induk ini berlangsung pad a pH > 8 dan suhu reaksi 60°C. Reaksi pengendapan ditunjukkan pada reaksi (Iii]. 60°C UF6 +NH3 +C02
+H20
-pH>8
(NH4)4U02(C03b + (I)
NH4F
Selanjutnya endapan amonium uranil karbonat (AUK) yang terbentuk dipisahkan dari eairnn N~F (efluen) dengan eara filtrasi, namun sebagian Uranium terikut dalam efluen dengan kandungan U / 50 ppm!l) . Karena pertimbangan nilai ekonomi Uranium yang terkandung di dalamnya serta efluen tersebut dapat dikategorikan sebagai limbah apabila kandungan Uraniumnya < 50 ppm, maka Uranium dalam efluen tersebut harus dipungut kembali. Mengingat kandungan Fluor dalam efluen yang tinggi dapat mengganggu efektivitas pemungutan Uranium serta kandungan Fluor maksimum yang diperbolehkan sebaXai pengotor dalam bahan bakar adalah 300 ppm 2), maka kandungan Fluor dalam efluen harus diturunkan sebelum dilakukan proses pemungutan Uranium. Metoda yang pemah dilakukan untuk memisahkan Fluor adalah dengan mengendapkan efluen berkandungan Fluor menggunakan kalsium hidroksida, Ca(OH)z. Fluor yang tertinggal dalam filtrat selanjutnya diendapkan dengan tawas dan resin jenis WWS[3J. Peralatan yang digunakan untuk pengendapan Fluor tersebut terbuat dari gelas, namun kurang efektif mengingat gelas sangat reaktif terhadap Fluor. Metoda altematif yang dapat digunakan untuk pemisahan Fluor dari efluen adalah seeara elektrodialisis menggunakan membran tukar anion (MT A). Penurunan kandungan Fluor dipengaruhi oleh faktor tegangan dan waktu proses. Penentuan tegangan de perlu dilakukan untuk memperoleh hasil yang lebih optimal dalam proses penurunan kandungan Fluor. Pereobaan dilakukan untuk memperoleh data penurunan kandungan Fluor dalam efluen dengan harapan hasil yang diperoleh sebagai bahan asupan dalam penanganan efluen hasil filtrasi AUK. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai hasil pengamatan terhadap jumlah kandungan Fluor yang dapat diturunkan seeara simulasi di dalam efluen melalui proses elektrodialisis menggunakan elektoda Pt dan C.
Hendro Wahyono, dkk.
TEORI Pereobaan penuruan kandungan Fluor seeara elektrodialisis dilakukan di dalam sebuah sel terdiri dari dua bilik yaitu bilik anoda dan bilik katoda yang dipisahkan oleh selembar membran tukar anion di tengahnya. Beberapa keuntungan metoda tersebut antara lain[4] : Membran tukar anion sangat selektifterhadap anion sehingga hanya Fluor saja dari bilik katoda yang dapat menerobos membran menuju bilik anoda. Pada waktu yang bersamaan uranium (VI) di dalam bilik katoda tereduksi menjadi U(IV) sebagai bahan dasar dalam pembuatan UF4.
Reaksi reduksi-oksidasi (redoks) larutan NaF
[5]
Reaksi redoks berlangsung di dalam sel elektrodialitik dengan selembar membran diselipkan diantara bilik katoda dan anoda. Ketika potensial sel diberikan ke dalam sel, maka pada larutan NaF akan terjadi beberapa reaksi seperti berikut : a. Pada bilik katoda akan terjadi pembentukan Na dari ion Na+ dan gas H2 dari ion 2H+ dan H20 dengan reaksi : (2)
(3)
2H20+2e- BH2+20W
(4)
b. Pada bilik anoda terjadi oksidasi Fluor yang berhasil menerobos membran tukar anion dari bilik katoda ke bilik anoda dan gas O2 dengan reaksi : (5)
(6)
Selama reaksi, ion F pada bilik anoda akan semakin bertambah karena adanya migrasi dari bilik katoda. Tetapi pada saat yang sarna ion F pada bilik anoda tersebut akan berubah menjadi gas F2 seperti reaksi (5).
Reaksi reduksi-oksidasi (redoks) larutan uranil nitrar6) Reaksi redoks yang terjadi di dalam larutan uranil nitrat berlangsung di dalam set elektrodailitik, ditunjukkan pada persamaan reaksi sebagai berikut : a. Pada bilik katoda terjadi reduksi UO/+ menjadi U4+,dengan reaksi : UO~++4H+ +2e- BU4+ +2H20
ISSN 1410 - 8178
(7)
211
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
Selain itu, ada dua reaksi samping yang perlu diperhatikan yaitu pembentukan asam nitrit dan hidrogen, seperti reaksi : (8)
2W +2e- BH2
(9)
b. Pada anoda, hanya terjadi reaksi pembentukan oksigen dari H20 dalam suasana asam nitrat seperti reaksi berikut : (10)
Bentuk Persenyawaan dengan Fluor [7]
antara
uranium
Persenyawaan antara uranium dengan Fluor memiliki bermacam-macam bentuk yaitu : V2F9 (garam berwama hitam), VFJ (garam berwama hitam atau ungu), UF4 (garam yang sukar larut dan disebut garam hijau), UFs (garam berwama putih) dan VF6 (senyawa tak berwama dan mudah menguap pada suhu 56,4°C). TATA KERJA Bahan Membran tukar anion (MT A) buatan BDH Inggris berukuran 4x4cm; Larutan uranil nitrat, larutan asam nitrat pekat, larutan natrium Fluoride, larutan TISAB (Total Ionic Strengths Adjuster ButTer) dan seperangkat bahan pendukung dalam analisis.
Keterangan : A : Bilik Anoda ; K : Bilik Katoda ; MTA : Membran Tukar Anion ; M : Pengaduk magnet Cara Kerja a. Penentuan tegangan optimal menggunakan elektroda Pt dan C Sebanyak 100 ml larutan HNOJ 0,3 M dimasukkan ke dalam bilik anoda dan 100 ml NaF 0,3 M (5698 mg F/L) dalam bilik katoda. Ketika potensial DC diberikan, tegangan diatur pada posisi 4 volt dan suhu dicatat setiap 30 menit. Selanjutnya dilakukan pencuplikan pada kedua bilik setiap 30 menit dan dianalisis dengan menggunakan larutan TISAB. Langkah tersebut diulang untuk tegangan 6, 8, 10, 12 dan 14 volt. b. Penentuan kandungan Fluor dalam larutan uranil nitrat Sebanyak 100 ml larutan umpan mengandung 100 mg VII dan 0,3 M NaF dimasukkan ke dalam bilik katoda sementara pada bilik anoda diumpankan 100 ml HNOJ 0,3 M. Lempengan karbon dengan luas 9 cm2 dipasang pada bilik katoda sedang lempeng Pt berdiameter 3,8 cm dipasang pada bilik anoda. Setelah potensial arus diberikan, dilakukan pencatatan terhadap arus yang keluar dan pencuplikan pada kedua bilik setiap 30 menit. Langkah tersebut diulang untuk larutan umpan mengandung 5000 mg V/L dan 0,3 M NaF. HASIL DAN PEMBAHASAN Pemisahan
Alat Set elektrolitik yang terbuat dari bahan fleksiglas terdiri dari dua bilik anoda dan katoda; dua buah elektroda terdiri dari anoda (Pt) dan Karbon (C), seperangkat alat pendukung proses dan seperangkat alat pendukung analisis. Skema sel elektrolitik yang terdiri dari dua bilik anoda dan katoda ditunjukkan pada Gambar I. Pt (+)
C(-1
Fluor dari larutan NaF
Percobaan penurunan kandungan Fluor dilakukan dengan mengamati jumlah Fluor yang dapat dipisahkan dari efluen. Percobaan menggunakan elektroda Pt dan C dilakukan dengan mengamatipenurunan dan kenaikan Fluor di dalam larutan yang berada di bilik anoda (katolit) dan katoda (anolit). Hasil pencuplikan di dalain katolit dan anolit ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3. &DO
~ 4000 MTA A
"-no ~
K
~ :;roo ~ 1000
0.5
1.5
Gambar
212
I. Sel elektrodialitik katoda dan anoda
terdiri
dua bilik
Gambar 2. Pengurangan katolit
ISSN 1410 - 8178
2.5
2
V\ttdu eleI4rcdBlsis,
3
3.5
J
konsentrasi
Fluor dalam
Hendro Wahyono, dkk
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 ---~----I----r---'---'----r---T---'
4&)0
4000
.!
___ L
~:mo ••.... ~o
I
___ ~ I I
.~ 21)0
ti
,
I,
.!
1 __
' _
l
;__~~~
11111g'
EO
__1
I
I I
I
--4--100 n9'J
I I
J
I I I J
I I
I I
I I
I I
I I
0.5
1
1.5
2
2.5
I
I
I I L I
I I I
I
~ 1000
9D o
o o
1.5
0.5
\l\£jduel~.
Gambar 3. Penambahan anolit
2
2.5
3
Jim
konsentrasi
WOIIdu
Fluor dalam
Gambar 2 dan 3 menunjukkan bahwa penurunan dan kenaikan kandungan Fluor secara signifikan di dalam katolit dan anolit, terjadi pada tegangan 10, 12 dan 14 volt. Hal ini disebabkan pada tegangan yang lebih besar, maka Fluor yang terlepas di dalam katolit juga semakin banyak. Fluor yang berada di bilik katoda bermigrasi ke arah bilik anoda dengan menembus membran karena adanya daya dorong dari membran dan potensial yang diberikan. Pada Gambar 2 dan 3 menunjukkan penurunan dan kenaikan jumlah Fluor pada tegangan tersebut antara 50 hingga 75 % dalam waktu 3 jam. Penambahan tegangan dan waktu lebih besar lagi, memungkinkan terjadinya pelepasan Fluor juga lebih besar. Hal ini belum dilakukan disebabkan adanya keterbatasan pengukuran pada peralatan (DC power). Faktor lain adalah terjadinya kerusakan pada pemukaan karbon pada kondisi tegangan dan waktu maksimal tersebut. Selama proses elektrodialisis berlang-sung, anion pada bilik katoda berupa F dan OHbermigrasi secara bersama-sama menuju bilik anoda. Hal ini, menyebabkan volume katolit semakin berkurang dan volume anolit semakin bertambah. Penurunan volume pada katolit juga disebabkan oleh terbentuknya gas hidrogen pada katoda. Penurunan nitrat
kadar Fluor dalam larutan uranil
Elektrodialisis campuran larutan NaF 0,3 M (5698 mg F/L) dengan larutan uranil nitrat (konsentrasi 100 dan 5000 mg U/L) dilakukan pada tegangan 14 volt menggunakan elektroda Pt dan C. Pencuplikan sam pel pad a katolit dan anolit dilakukan setiap 30 menit untuk diamati jumlah Fluor yang bermigrasi. Hasil penurunan dan kenaikan Fluor pada katolit dan anolit dapat dilihat pada Gambar 4 dan 5. Perubahan kandungan Fluor pada katolit dan anolit diamati sebagai fungsi waktu elektrodialisis.
Hendro Wahyono, dkk.
o
3.5
EW
Gambar 4. Pengurangan katolit
is.
I
__~
J
I
I I
J I I
J
I
J I I I
I I
I I
I I
3
3.5
4
L J I I I I I I I I f I I I I I ---7---~----~---7----I----r---7---~ ___
19JO
_I
J om
konsentrasi
Fluor dalam
41500
4D) 3roJ
"~':mJ' ~2!m " -! DXI ~15X) :!lUX) 6XJ
o o
0.5
1.5 Woktu
Gambar 5. Penambahan anolit
e
2
2.5
3
3.5
4
lekt ofijias Is. J om
konsentrasi
Fluor dalam
Gambar 4 menunjukkan bahwa kandungan Fluor yang terdapat di dalam katolit mengalami penurunan sekitar 78 % dalam waktu 3,5 jam baik pada konsentrasi uranium 100 mg U/L maupun 5000 mg U/L. Sedang pada Gambar 5 menunjukkan bahwa kenaikan kandungan Fluor dalam anolit untuk konsentrasi uranium 100 mg U/L sekitar 75 %. Harga tersebut lebih besar jika dibandingkan dengan konsentrasi uranium 5000 mg U/L yaitu sekitar 65 %. Hal ini disebabkan adanya pengikatan senyawa kompleks antara uranium dengan Fluor oleh ion Na+ dan membentuk sebuah gelatin (NaUFs) berwama putih yang mengendap, sesuai dengan reaksi berikut [4]: u4+ +5F- ~UF5
(11)
UF5+Na+ ~NaUF5 (endapanputih)
(12)
Semakin besar konsentrasi uranium yang digunakan, maka proses pengikatan senyawa kompleks yang terbentuk juga akan semakin besar, seperti ditunjukkan pad a reaksi 12. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya pengurangan Fluor yang berpindah dari bilik katoda ke bilik anoda. KESIMPULAN I.
Proses elektrodialisis menggunakan Mem-bran Tukar Anion (MTA) dapat menurunkan kandungan Fluor dalam larutan Uranil Nitrat
ISSN 1410 - 8178
213
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
2.
3.
sekitar 75 % (konsentrasi 100 mg U/L) dan sekitar 65 % (konsentrasi 5000 mg U/L). Pembentukan senyawa kompleks NaUFs dapat mengakibatkan terhambatnya pemisah-an Fluor dalam larutan Uranil Nitrat. Penurunan kandungan Fluor menggunakan Membran Tukar Anion (MT A) diharapkan sebagai asupan untuk meningkatkan efektivitas proses pemungutan uranium dalam efluen.
DAFT AR PUST AKA I. NUKEM,"Tranfer of Information According to Article 3 of The Contract", Part 2, Technical Document, Hanau, West Germany (1982). 2. ANONIMOUS, "Annual Hand Book of ASTM Standart park 45", ASTM-1916 Rare., Phiadelphia,Pa. 19103, (1082), hal. 533. 3. SALIMIN. Z dkk., "Rancangan Unit Pengolahan Limbah Radioaktir\f Cair secara Kimia PPTA Serpong", Praseding Presentasi I1miah Daur Bahan Bakar Nuklir PEBNBATAN, Jakarta, 18-19 Maret 1996. 4. WILKINSON. W., "Uranium Metallurgy", International Institute of Nuclear Science and Engineering, Argone National Laboratory, New York, 1962. 5. SASTRA WIJA YA. R., "Kimia Dasar II", Departemen P & K Dirjen Dasar dan Menengah Proyek Peningkatan Guru SLTP Setara 0-111, Jakarta, 1995 (hal. 279). 6. M. K. T. NAIR, R. K. SINGH, D.. 0 BAJPAL, A. K. VENUGOPALAN, R. R.. SINGH, P. B. GURBA, and M. THOMAS, "Role of ion transfer in the poduction of uranous nitrate", BARC/J 992/E/002, Prerre Plant, Tarapur, India, 1992. 7. KOESHENDARTO. R.,"Penentuan Fluor dalam Eluen hasil Pengendapan AUK menggunakan Penganalisis Ion", Akademi Kimia Analisis Bogor, 1990.
214
TANYA JAWAB Jasmi B.U. ~ Apakah dengan menggunakan konsentrasi yang lebih tinggi dari 5000 mg/L akan dapat menurunkan Fluor (F) lebih baik ? ~ Biasanya logam Fluor (F) yang ada efluen tersebut berasal dari mana? Hendro Wahyono ~ Untuk konsentrasi U > 5000 mg VlL memiliki kecenderungan pemisahan U semakin kecil, karena semakin besar konsentrasi U semakin besar pula terjadi pengikatan ion Na I terhadap Fluor dan Uranium menjadi NaUF5. ~ Fluor (F) dalam efluen hasil filtrasi AUK berasal dari proses konversi UF6 menjadi A UK sesuai persamaan reaksi : 60°C
UF6+NH,+CO,+HP
pH>8
(NH.).UO,(CO,),+NH.F
(AUK)
(efluen)
Tri Rusmanto ~ Untuk pernyataan Fluor dan Uranil Nitrat dengan tegangan di atas 14, apakah ada kecenderungan pemisahan lebih besar mohon penjelasan ? Hendro Wahyono ~ Semakin besar tegangan yang digunakan akan semakin besar Fluor yang dapat dipisahkan. Dalam percobaan ini hanya digunakan sampai J4 V. karena keterbatasan peralatan DC power yang terbatas tegangannya.
ISSN 1410 - 8178
Hendro Wahyono, dkk
