ARTIKEL
REGENERASI
Ce3+
MENGGUNAKANOZON PADA DEKONTAMINASI REDOKS
Heny Suseno Pusat PengembanganPengelolaanLimbah Radioaktif, BAT AN
ABSTRAK REGENERASI Ce~ MENGGUNAKAN OWN PADA DEKONTAMINASI REDOKS. Telah dilakukan penelitianregenerasiCe3+menggunakan ozonberdasarkan pendekatan kinetikakimia. Menggunakan data percobaanKlein dan kawan-kawandilakukan perhitunganulang nilai konstantadan waktu paruh reaksi denganasumsireaksi berjalanpada orde dua dantiga. Dari perhitungandiperolehbahwaefesiensiregenerasi sebesar70% padasuhu80.C belumoptimaldanmasihdapatditingkatkan.
THE REGENERATION OF C~+ BY USING OZON FOR REDOKS DECONTAMINATION. The investigation of CeJ+regenerationbyusingozon wasdone with chemicalkinetic approach. By usingKleins experimentaldatas was recalculatedvalue of reaction contanta and reaction half live with assumtionthe reaction going on at second order or third order. From recalculation was found that effesiency of regenerationabout 700/D at 8{J'Cand notyet optimaland can be improved.
PENDAHULUAN
sistem pendinginreaktor dalarn kegiatan dekomisioning.Pada kegiatan tersebut dekontaminasidilakukanbaik sebelumdansetelahdismantling. Prosesdekontaminasi redokssecara umum terdiri dari dua tahapan yang berlangsung secara simultan, yaitu dekontaminasi clan regenerasi. Pelarutan crud pengungkungkontarninan secara oksidatif menggunakanoksidator Ce4+merupakan tahapan dekontaminasi.
Proses dekontaminasikimia selalu dihadapkanpadapennasalahan limbah sekunderberupasisa-sisalarutan yang digunakan sebagai dekontaminan. Untuk mengatasihat tersebutsaat ini dikembangkanmetoda dekontaminasi kimia secara,dimanadekontaminan dapat digunakan berulang-ulangatau selama proses berlangsungtidak ada penambahan dekontaminan barn. Sistem regeneratifinilah yang dapat meminisasi limbah sekunder pasca 3Ce4++ Cr'+ (crud) ~ 3Ce3+ + Cr6+ proses dekontaminasi.Pengembangan (1) metoda dekontaminasikimia secara regeneratif saat ini terfokus pada Pengubahan Ce3+ menjadi Ce4+yang metoda redoksyang digunakanuntuk akan digunakan kembali sebagai mendekontaminasibaja tahan karat
ABSTRACT
t'v/d/nL./I1t'/V1 Vd ~ Na / 2ax>
rnJ
ARTIKEL dekontaminan
merupakan tahapan
regeneraSl. Ce3+
-7 Ce4++ e
203 + 2Ce3++ 2W ~ 2Ce4t + O2 + H2O
(3)
(2) Proses regenerasi ini diharapkan dapat
Melalui sistem regenerasiini idealnya melengkapi kekurangan yang ada pada Ce4+yang dihasilkanekivalen'dengan metoda regenerasi elektrolisis. Peluang Ce4+yang digunakan sebagaidekontaminan sehingga selama proses berlangsung tidak ada penambahan dekontaminanbaru, Prosesregenerasi pada metoda dekontaminasiredoks dapat dilakukan melalui dua cara, yaitu: secara elektrolisis dan nonelektrolisis.
Prosesregenerasisecaraelektrolisis mempunyai beberapa kendala yang mengakibatkan penurunan effesiensi, antaralain: teganganlebih danterhambatnyatransferelektrondari elektroda ke medium larutan. Teganganlebih tidak dapat dihindari clan hat ini mengakibatkankompetisi antara reaksipembentukan gasoksigen dan pembentukan Ce4+pada anoda sehingga proses menjadi tidak ll. Terhambatnya transfer effeSien[ elektron .permukaan elektrodake medium larutan disebabkan oleh deposit produk reaksi reduksi pada permukaan katoda. Untuk memperlancar transfer elektron tersebut, proses dekontaminasiredoksbiasanya dilengkapidengangeneratorultrasonik yang berfungsi menghambat pembentukan deposit pada permukaan elektroda[4]. Walaupun pemakaian ultrasonikini akanmengeliminasi salah satu masalah tersebut, tetapi biaya prosesakanmeningkat. Proses regenerasinon elektrolisis menggunakanozon mengubah Ce3+ menjadi Ce4+ berdasarkan reaksi berikut:
~
QiJ
ini sangat terbuka mengingat reaksi antara ozon dengan Ce3+merupakan reaksi reduksi oksidasi sehingga diperoleh proses regenerasi yang efesien. Seperti reaksi-reaksi antara dua senyawaan kimia lainnya, reaksi tersebut diatas sangat dipengaruhi oleh jumlah tumbukan antara dua molektil tersebut. Jumlah tumbukan tersebut sangatbergantungpada difusi gas ozon ke da1ammedium larutan. Selanjutnya basil yang diperoleh bergantung pada kinetika reaksi yang ditempuh. Pada makalah ini akan dibahas seberapajauh pengaruh kinetika reaksi Ce4+dengan ozon dibandingkan dengan faktor difusi ozon berdasarkan data percobaan yang dilakukan oleh Klein. Dengan menentukan model kinetika kimia reaksi antara Ce3+dengan ozon diharapkan dapat meramalkan kondisi optimal proses. regenerasi non elektrolisis tersebut.
METODEPENELITIAN Pendekatankinetika kimia digunakan untuk meramalkanefesiensiozon yang pada proses regenerasi Ce3+ . Konstanta clan waktu paruh reaksi merupaka parameteryang digunakan sebagai bukti apakah efesiensi ozon yang diperolehpada percobaanKlein telah optimal. Dalam studi ini orde reaksi belum dapat ditentukansecara pasti karena tidak tersedia data £?vId/lltl/1t'AIt
Va(.':J No. / 2(XX)
ARTIKEL pendukung untuk keperluan tersebut dan tidak harns berkaitan dengan koefisien masing-masing reaktan. Berdasarkanpersamaanreaksi antara antara ozon denganCe3+ dicari berdasarkandua asumsi,yaitu: kemungkinan reaksi tersebut adalah orde dua atau ordeketiga. Kecepatanreaksi merupakan parameter efesiensi regenerasidan dirumuskanberdasarkan persamaan berikut: .untuk asumsi reaksiordedua. d[Ce3+]/dt= -k [Ce3+][03] (4) untuk asumsireaksiordetiga. d[Ce3+]/dt = -k [Ce3+][O3f
(5)
kt =
Iln (ICe3+]O-2[O3]o)
[O3]o[Ce3+] (7) [O3][Ce3+]o
.Bila diasumsikanreaksi tersebut adalahorde3 sepertipersamaan(8) .Penyusunan ulang persamaan(8) untuk reaksi antara Ce3+dan ozon sehinggadiperolehpersamaan(9) Penetapanwaktu yang diperlukan agar konsentrasinyamenjadi separuh daTi nilai awal (waktu paruh reaksi), berturut-turut untuk reaksi orde dua dan tiga digunakanpersamaansebagai berikut: (1
-I
(10)
2 -2k[Ce3+]~ Dalarn suatu reaksi kimia, konsentrasi awal reaktan diasumsikan (1 -1 (II) 2 -2k[Ce3+]~ sebagai [A]o dan [B]o, maka ketika reaksi berlangsung masing-masing dimana4/2adalahwaktuparuh reaksi. berkurangsebesarx mol. Berdasarkan hukum laju terintegrasi, makapenetapankonstantareaksi HASIL DAN PEMBAHASAN (k) mengacupada persarnaanberikut [2].
Penyusunanulang persarnaan (6) untuk reaksi' antara Ce3+dan ozon sehinggadiperolehpersarnaan(7)
Percobaan regenerasi Ce3+ yang dilakukan oleh Klein dan kawan-kawan menggunakan generator ozon berkapasitas 0,13 mol 03 perjam dan reaksi berlangsung berdasarkan persamaan (3) selanjutnya diperoleh hasil seperti terlihat pada Gambar 1.
(8)
(9)
t't/!d/IJf./I1t'AItVa' ~ No./.2CXJO
[l[J
ARTIKEL
80 70
~ ~
60
c
50
0
~ 'in c 41
40
'in
30
41
20
~
"""...""-,,,.1 -
10
I). 0
40
20
60
80
Suhu (OC)
Gambar 1. Effesiensiproses regenerasi Ce3+menjadi Ce4+menggunakanozon EfIesiensi ozon merupakan ukuran keberhasilan proses regenerasi clan dihitung berdasarkanperbandingan mol ozon yang bereaksi dengan Ce3+dengan kapasitas ozon generator. Percobaan ini dilakukan menggunakan sebuah kolom yang akan diisi denganpacking material sebagai gas-liquid contactor dimana ozon diinjeksikan dari dasar kolom clan mengalir ke atas[!]. Berdasarkan kuantitas ozon, dilakukan dua pendekatan untuk membuktikan efIesiensi proses regenerasi tersebut secara lebih cermat. Pendekatanpertama berdasarkan pada seberapa besar kemampuan ozon terdifusi dalam media larutan pada saat reaksi berlangsung. Difusi pada sistem regenerasi ini ditentukan oleh luas permukaan ozon yang kontak dengan larutan, artinya ukuran gelembung berpengaruh secara signifikan. Pendekatan kedua didasarkan pada kinetika reaksi antara ozon dengan
00
Ce3+.Mengacupada persamaan (4) dan (5) dimana pada kedua asumsi tersebut menunjukan bahwa nilai konstanta reaksi berbanding lurus dengan proses regenerasi. Nilai konstanta tersebut tidak dipengaruhi oleh kedua konsentrasi reaktan tetapi dipengaruhi oleh suhuI2]. Jika pendekatan kedua menunjukan bahwa reaksi tersebut bisa dipercepat dan 4/2 dapat diturunkan sejalan dengan kenaikan suhu maka upaya peningkatan kinerja proses regerasi dapat lebih disempurkan lagi menggunakanpendekatanpertama. Berpijak pada pendekatan kedua, maka konstanta kecepatan reaksi dihitung dari data-data gambar 1 yang sebelumnya dikonversikan terlebih dahulu kedalam satuan-satuan yang sesuai. Setelah mengalami penyesuaian satuan, diperoleh data-data seperti terlihat pada tabel 2.
~t//d/IJLlI1~/1I1Vat ~ Na / 2Oro
~
ARTIKEL Tabell.
Proses regenerasi Ce3+menggunakan ozon pada berbagai suhu, dimana Ce3+mula-mula 5 X 10.3mol [1,3]
$~bY<J9j 20 50 60
80
1,7X 104
9 X 10-4
2,0 X 10-3 22 , X 10-3
9 X 10-4
3 ,0
X
10-3
1,2 X 10-3 1, 5 X 10-3
Gambar 2. Konstanta reaksi orde dua untuk regenerasiCe3+
~
'i
~
~
::
Gambar 3. Nilai waktu paruh reaksi untuk orde dua daB tiga pada berbagai suhu
/?uh'/nL/I1/?/1/1 Va(~ Na / 2tXJO
[]ZJ
~
ARTIKEL
50
20
60
80
Suhu (OC)
Gambar 4. Konstanta reaksi orde dua untuk regenerasiCe3+
~
~ ~
~ .-
Gambar 5. Nilai waktu paruh reaksi untuk orde dua daft tiga pada berbagai suhu
Berdasarkan data pada tabel 2 untuk asum$i reaksi regenerasiCe3+ dengan ozon yang berjalan sesuai dengan orde reaksi dua, selanjutnya konstanta reaksi dapat ditentukan menggunakan persamaan (7) dan diperolehhasilyangtersaji gambar2. Gambar 2 menunjukankonstanta (k)mulai optimalpada suhu60°C dan
00
tidak mengalamikenaikanyang cukup signifikan sejalan dengan meningkatnya suhu reaksi. Terkait dengan proses regenerasi dimana harga konstanta berbanding lums dengan kecepatanreaksimaka dapatdikatakan bahwa effesiensiprosestersebutsudah optimal. Fakta-faktalain yang dapat dijadikan pegangan untuk t'tIId/nL.//1t'/tItva: ~ Na / 2000
ARTIKEL
menyimpulkan optimalnya proses didasarkanpada nilai t1/2reaksiantara harga regenerasi adalahwaktu paruh reaksi ozondenganCe3+.Menggunakan tersebut(tl/2)' Berdasarkandatapada konstantakecepatanreaksisepertiyang tabel 2 selanjutnya tl/2 untuk reaksi telah diperolehselanjutnyadimasukan orde dua dihitung menggunakan dalampersamaan(II) maka diperoleh persamaan (10) clan diperolehbasil nilai t1/2tersebut. Pengaruh suhu terhadap waktu paruh reaksi dapat yang tersajipadagambar3. Berdasarkankedua fakta tersebut dilihatpadagambar5. Kedua perhitungan konstantakemaka effesiensi regenerasi yang diperoleh jika dikaji berdasarkan cepatanreaksi clan t1/2yang mengacu persamaan reaksi orde dua maka pada asumsireaksi orde tiga memenunjukan harga yang optimal. nunjukan bahwa effesiensiregenerasi Berangkat dari kenyataan tersebut yang belum optimal pada suhu 80cC. maka upaya meningkatkan efesiensi Disisi lain jika asumsi ini diadopsi proses regenerasi seolah-olah sudah makaseolah-olahmembuktikanbahwa tidak dapat dilakukan menggunakan proses regenerasi berjalan belum pendekatankeduatidak mungkindapat optimal. dilakukan. Pembuktian lebih lanjut berdasarkanperhitunganpada asumsijika KESIMPULAN ak . C 3+ re SI antara e clan ozon tersebut berlangsung pada orde tiga. BerBerdasarkan pendekatan kinetika dasarkan data pada tabel 1 untuk kimia reaksi antara Ce3+dan ozon asumsi reaksi regenerasiCe3+dengan pada sistem regenerasidekontaminasi ozonyang berjalansesuaidenganorde redoksdiperolehbahwaeffesiensiyang reaksi tiga, selanjutnya konstanta diperoleh belum optimal walaupun reaksi dapatditentukanmenggunakan suhudivariasi pada 20 sampaidengan persamaan(7) clandiperolehbasil yang 80°C. Menggunakanharga konstanta tersaji gambar4. reaksi dan waktu paruh reaksi pada Berdasarkanrekasi orde tiga ini dua buah asumsi aIde reaksi maka Effesiensimasihdapatditingkat- membuktikanbahwa effesiensiproses kan secara proporsional dengan regenerasi masih dapat ditingkatkan kenaikan suhu reaksi. Hal ini sangat dengan memperkecil ukuran bertentangan dengan basil yang gelembung-gelembung ozon yang diperoleh pada asumsi orde reaksi digunakan. sebelumnya.Pembuktian lebih lanjut
DAFTARPUSTAKA [1]
KLEIN, M, "Comparasion of Throgh Decontamination Technique on Dismantled Pieces ofPower Reactor", Sumarry Report of 3rdCRP on New Methods and Techniques for Optimization of Decontamination for Maintenance and decommissiomng,IAEA, Mol Belgium,(1988).
Ptlldlnt/!1P/fI't Vd ~ No./2ax:>
00
ARTIKEL
[2] [3] [4]
ATKINS, W, "Phisical Chemistry", 3rded, Oxford University Press (1990). JAERI, "JAERIMEMO 61-225", JAERI, Japan(1995). BARD, J,A, "Electrochemicalmethodsfundamentalsand Application", JohnWilley and soninc, USA (1980).
---0000000---
~
Nd/n L.//1t'AItV d ~ Na / 2tXXJ
