Daftar isi Daf/llillir dall SlikarsOIlO
ISSN 0216 - 3128
73
-
---
-
---
PENGARUH ASAM BEBAS DAN NISBAH N03/U LARUTAN URANIL NITRAT PADA PROSES EMULSIFlKASI NUKEM Damunir, Sukarsono Pusli/bang Teknologi Majll BATAN, Yogyakar/a
ABSTRAK PENGARUH ASAM BEBAS DAN NISBAH NG/U LARUTAN URANIL NITRAT PADA PRGSES EMULSIFIKASI NUKEM. Pengandl asam bebas dan nisbah NGj'/U laru/an urani!nitra/ pada proses emulsifiksi Nukem Lelah dile/ili. Peneli/ian ini mempelajari pengamh asam bebas dan nisbah NGj'/U laru/an urani! ni/ra/ /erhadap sifa/ fisis kemel VjGs berupa densilas dan porosi/as. Larutan urani! ni/ra/ yang mengandung 152,26 g VII, Nisbah NGj'/U = 0,68 dan asam bebas 0,38 M dine/ralkan dengan NH4GH 13,45 M. Laru/an diubah menjadi sol dengan menaf/lbalikan 8 g PVA /llarn/an, 25 ml /llaru/an Parafin dan 10 ml/llam/an Mono sarbitol olea/ sambi! diaduk dan dipanaskan pada suhu 80°C selama 20 men it. Untllk mendapa/kan gel berben/uk bola kedl, larn/an sol digelasikan kedalam larn/an medium NH4GH 13,45 M pada /empera/ur mangan. Gel yang /erben/uk berupa bola kedl, lalu disaring, dicuci dengan lsoprapanol, NH4GH 2,5 %, air dan dipanaskan pada suhu 120°C. Se/elah itu dikalsinasikan pacla sullll 800°C selama 4 Jam, menghasi!kan kemel UjGs . Dengan cara yang sama dipelajari penganlh asam bebas. divariasi, 0,64-2 M dan perubahan Nisbah NGj'/U,divariasi,O,69 - 3. Karak/erisasi hasil diten/ukan dari sifat fisis kemel oksida UjGs yailll densi/as dan porosi/as memakai metoda Miller. Hasi! percobaan melllll/jukkan ba/nva asam bebas dan Nisbah NGj'/V larutan urani! nitra/ berpengaruh /erhadap sifat fisis kernel oksida uranium. Kondisi paling baik pada asam bebas = 1-1,6 M dan NGj'/U=I,6.
ABSTRACT THE INFLUENCE GF FREE ACID AND NGj'/U RATIO. GF URANYL NITRATE SGLUTIGN GN NUKEM EMULSIFlCA TlGN PRGCESS. The i/!(1uence of free acid and NGj-/U ratio of IIranyl nitrate on Nukem Emulsifcation process have been sllldied. The investigated studied il!fluence of free acid alld No.,·/U ratio of uranylllitrate on physical properties of uranium oxides in form the density. porosity and diamater size of UjGs. Uranyl nitrate solution containing of/ 52,26 g U/l, 0.68 of NGj-/U ratio and 0,38 M .fi-ee acid was neutralized by 13,45 M NH4GH. The sollltion was changed into sol by adding 8 K PVA/I soilltion. 25 1111 Parafin/l solution and 10111/1solution Mono sarbitol oleate by Mixed and heated at 80°Cfor 20 men Illes. In order to find spherical gel. the sol solution was dropped into 13,45 M NH4o.H solution at 1'00111 temperature. The shape formed of the gel was small sperical/hen of the formed gels werefil/ered, washed by Isopropanal alcohol, 2,5 % NH4GH . waier alld heat at 120°C. -1fier /hatthe gels were calcined at 800°C at 4 haul'S, they forllled U.,Gs oxide particles. Under a similar method. The investigated the influence was change of free acid in uranyl nitrate solution by variated. 0,64-2 M and the il!fluence NGj-/U ratio by variated. 0.69 - 3. Cracteriza/ion of result was obtained from physical properties of UjGs oxides in form of density and porosity using Miller Method .. The experimen result hawed the condition change offree acid and NGj'/U ratio of uranyl nitrate solution influence on physical properties of UjGs kernel in forllled the density and porosity of UjGs. The accura/ed condition of free acid was 1-1,6 M and NG3'/U ratio was 1.6 of uranyl nitrate solution.
dicuci, dipisah dan dikeringkan. Gel yang sudah kering dikalsinasi untuk menghasilkan kernel U,Os
PENDAHULUAN
(I)
P
embuatan kernel dioksida berbentuk bola sebagai bahanuranium baku bahan bakar reactor suhu tinggi, dimulai dengan proses sol-gel. Proses sol-gel emulsifikasi Nukem yang menggunakan larutan uranil nitrat, dicampurkan dengan zat aditif polivinilalkohol(PV A), emulsikator parafin dan stabilisator sarbitol mono oleat(SP AN-80) pada suhu 70-90 °C menghasilkan sol, kemudian diubah menjadi gel berbentuk butiran bola kecil, dengan cara meneteskan sol kedalam larutan medium amonium hidroksida pad a suhu kamar. Butiran gel memadat selama gerak jatuh vibrasi didalam larutan medium karena adanya reaksi kimia antara butiran gel dengan molekul amonia. Gel kemudian Prosiding
Pertemuan
Untuk mendapatkan kernel oksida uranium tersebut diperlukan larutan uranil nitrat yang mempunyai asam bebas (ion H+), ion nitrat atau nisbah NOiU yang sesuai, karena dapat mempengaruhi proses gelasi gel dalam medium amonium hidroksida dan kualitas kernel oksida uranium ditunjukkan dengan densitas, porositas, ukuran butir dan lain lain. Haas (1977f) dan Abdel Halim( 1987) (3) , mempelajari pengaruh asam bebas dan nisbah NOiU larutan uranil nitrat pada pembuatan kernel oksida uranium, mareka mendapat kondisi paling baik yaitu pada nisbah N03'/U = 1,5 - 1,7, dan asam bebas = 1,4 M.
dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
dan Teknologi
Nuklir
ISSN 0216 - 3128
74
DamufI;r dafl Sukarsoflo
===~.~ ..:;~ urand
•••.• ==]LEa~ru~ta~n~u~ra~n~iIFn~I~·tr~a~t~y~a~n~g~·m~em~p;;;u~n~y:;;al~' ~as~a~m~' ='""i"=~2~~P;::e=n=g~a=ru~h~a~s~a""'m=b~b;"!""''''''' =~d==l b e b as, Ion ...• mtrat dan msbah N03'/U terlalu kecil e as pa a arutan nitrat terbentuk
dispersi partikel padat dalam larutan
a~ibatnya pada proses peptisasi campuran uranil mtrat dengan PV A, parafin dan SPAN-80 menghasilkan larutan sol padat, sulit digelasikan
. Larutan U02(N03)2, diambil sebanyak 6 ml d~n dlmasukkan ke dalam glas piala 100 ml, lalu 13,45 dan diaduk dltambahkan 1,5 ml NH40H
d~la~ medium amonium hidroksida. Gel yang dlhasllkan dari sol yang demikian tidak baik longcong, mudah rusak dan pecah menjadi kernel oksida uranium berpori-pori atau pecah menjadi serbuk oksida uranium pada suhu tinggi. Sedangkan larutan uranil nitrat yang mempunyai asam bebas, ion nitrat dan nisbah N03'/U terlalu besar terbentuk larutan encer, pada proses peptisasi seperti diatas menghasilkan sol encer, pada proses
sampa~ homogen, kemudian air distil at ditambah sampal volumenya menjadi 20 m!. Larutan ini mempunyai kadar U=152,26 g/l, N03'/U = 0,83 d~n asam bebas 0,38 M. Sambil diaduk dan dlpa?askan pada .suhu 60-90 °C selama 20 memt, larutan dmbah menjadi sol ken tal dengan menambahkan 8 g PV A I Ilarutan, 25 ml/llarutan Para fin p.a, 10 mill larutan SPAN-80 p.a. Untuk ~endapatkan gel bulat seperti bola, larutan sol
gelasi menghasilkan gel tidak bulat, mudah pecah menjadi kernel oksida uranium berpori-pori atau pecah menjadi serbuk oksida uranium pada suhu tinggi. Oleh karena asam bebas dan ion nitrat atau nisbah N03'/U larutan uranil nitrat merupakan faktor yang sangat penting dan berpengaruh
dlteteskan. kedalam larutan medium NH40H 13,45 M melalUl alat penetes berdiameter 0,86 rom. Gel yang t~rbentuk didiamkan dan dicuci dengan Isopropll alkohol, amonium hidroksida 2,5 % dan air distil~t, lalu dikeringkan pada suhu 80°C ~elama 4 jam~ kemudian dikalsinasi pada suhu 800
d~ha~i~kan dari proses ol-g I~ sehingga perlu terhadap kualitas kerne~o.. , .dipelajari a uranium yang dlteht!. Dalam penelitian pengaruh perubahan konsentrasi asam bebas dan nisbah NO)'/U larutan uranil nitrat terhadap perubahan densitas dan porositas kernel U)Og.
Setelah selesal, percobaan diulangi dengan cara C selama Ja~ dengan menhasilkan U30g. U02(N03)2: yang sarna 4untuk keasaman larutan kernel 0,64; 1,2; 1,64; 1,80 dan 2,0 dengan menambahkan l~rutan HC~ 5 M. Kernel yang dihasilkan dlten~kan slfat fisisnya yang meliputi densitas, porosltas dengan metoda Miller (5,6) •
TAT A KERJA
3. Pengaruh nitrat
Alat Alat alat yang digunakan dalam penelitian alat pemanas, Piknometer, mikroskop optis dan lain-lain.
Illl antara lain satu perangkat
Bohall
NOiU
larutan
uranil
Dengan cara yang sarna, dipelajari pengaruh nisbah NO)/U pada larutan uranil nitrat dengan memvariasikan nisbah NO)/U larutan = 0,69; 1~00; 1,2; 1,6; 2,0 2,2; 2,5; 2,8 dan 3 dengan menambahkan larutan NH4NO) 5 M.
PEMBAHASAN
Bahan bahan yang digunakan dalam penelitian ini an tara lain serbuk U30S, asam nitrat, Polivinil alkohol, Parafin, Mono sarbitol oleat(SP AN-80), amonium hidroksida, air distalat, isopropil alcohol dan lain-lain
Cora kerja 1. Larutan
Nisbah
U02(N03h
Larutan uranil nitrat yang digunakan untuk mempelajari pengaruh molaritas keasaman dan nisbah NO)"lU terhadap kualitas kernel oksida uranium dibuat dengan melarutkan serbuk U)OS dengan HNO) 13,4 M pada suhu diatas titik didik larutan. Setelah itu dianalisis kadar uranium dengan metoda modifikasi Titan (4) , keasaman dan nitrat dengan metoda titrasi alkalimetri. Diperoleb kadar U =507,54 g/l, asam bebas = 2,5 M, kadar nitrat total = 6,76 M dan nisbah NO)'/U = 0,83.
Pada Gambar 1 dan Tabel 1 ditunjukkan bahwa larutan uranil nitrat yang mempunyai kadar U=152,26 g II, nisbah NO)'/U =0,83 dan asam bebas yang divariasi dari 0,38 - 2,0 M, digunakan sebagai umpan proses gelasi emulsifikasi Nukem dan dicampur dengan 8 g PV All, 25 ml parafin/l dan 10 ml Span-80/1 pada suhu 70-90 °C selama 20 menit berpengaruh pada densitas dan porositas serta ukuran butir kernel U)Os. Pada Gambar 1 dapat dilihat, bahwa kondisi asam bebas dalam larutan uranil nitrat paling baik adalah pada konsentrasi 1,2-1,6 M. Menurut Abdel Halim( 1987) kondisi asam bebas dalam larutan uranil nitrat paling baik untuk pembuatan kernel oksida uranium adalah 1,4 M. Pada kondisi ini uranium dan zat aditif polivinil alkohol dapat bereaksi sempurna membentuk gel dan kernel U)OS basil kalsinasi yang baik, bulat, tidak berpori dan mempunyai densitas lebih besar. Pada konsentrasi asam bebas < 1,2 M, ion hidrogen
Damullir dall Sukarsollo -
._-
-- .. -
ISSN 0216 - 3128 --
-.-
-..
_~-~
.. -
~----_
..
•...
_.-
--- ...- ..
dalam larutan uranil terlalu sedikit, sehingga pada proses peptisasi menghasilkan sol padat. Gel hasil proses gelasi tidak baik, mudah pecah pada proses kalsinasi pada suhu 800°C selama 4 jam dengan menghasilkan kernel oksida uranium yang mempunyai densitas kecil. Pada konsentrasi asam bebar > 1,6 M, ion hidrogen dalam larutan uranil nitrat terlalu besar, pada proses peptisasi menghasilkan larutan sol encer dan gel yang terbentuk juga tidak baik, sehingga pada proses No kalsinasi menghasilkan 743652 kernel U30g (M) yang 1 mempunyai densitas keci1. Molaritas asam bebas pada larutan uranil nitrat paling baik untuk pembuatan kernel oksida uranium adalah 1,2-
75
---'-.- --.---.
-----.---
..
uranium dapat bereaksi sempurna dengan menghasilkan sol kental sehingga pada proses gelasi dalam larutan medium amonium hidroksida menghasilkan gel berbentuk bulat.
Tabel 1. Pellggaruh
Molaritas asam bebas larlltall llralli! 11 itra I terhadap analisis Porositas kemel U30S Porositas 1,20 33,45 2,00 1,60 1,80 32,31 37,21 0,68 1,40 31,29 36,41 0,38 30,99 34,59 U30g(%kernel Vol) bebas Uranil nitrat Molaritas asam
I,GM. Cl) M -'" 0:5 c
'Vi
0,
7 3.5 5.5 4.5 456 0.6 6.5 0.2 3 0.4
!
c 0~:) E 0 Qj (f)
0.8
--Catatan: Pengaturan kensentrasi asam bebas pada larutan uranil nitrat digunakan HCI 5 M 1.2 ---> Molaritas
Gambar
1.4
1.6
1.8
2
asam bebas U02(N03)2,
M
2.2
7
l. Pellgaruh Molaritas keasamall larutall uralli! lIitrat terhadap dellsitas kemel U30S
Pada Tabel 1 ditunjukkan pcngaruh asam bebas terhadap analisis porositas kernel U30g. Perubahan porositas disebabkan oleh perbedaan pori -pori yang tcrdapat pada padatan. Porositas kernel oksida uranium paling kecil sebesar 30,9932,31 %Vol. Pada kondisi ini, konsentrasi asam bcbas dalam larutan uranil nitrat berkisar antara 1,2-1,G M dan kernel oksida uranium yang dihasilkan mempunyai pori-pori lebih kecil dibandingkan dcngan pori-pori kernel oksida uranium yang dihasilkan pada konsentrasi asam bebas dalam larutan uranil nitrat < 1,2 dan > I,G M. Pada Gambar 2 ditunjukkan, larutan uranil nitrat yang mempunyai kadar 152,26 gUll, asam bebas 1,4 M dan nisbah N03/u yang divariasi dari 0,G8-3, digunakan sebagai umpan gelasi dan dicampurkan dengan PV A, parafin dan SPAN-80 dengan komposisi yang sama seperti diatas berpcngaruh terhadap densitas kernel U30g. Densitas kernel paling besar di hasilkan pada nisbah NOiU= I ,G. Menurut Haas( 1977), kondisi NO)U dalam larutan uranil nitrat paling baik adalah pada nisbah NOiU =1,5-1,7. Pada kondisi ini terbentuk larutan uranil nitrat dcfisien asam(ADUN), sedangkan polivinil alkohol dan Prosiding
Pertemuan
3
0.4
0.8
1.2
1.6
----> Nisbah N03/U
Gambar
2
2.4
2.8
3.2
larut,an U02(N03)2
2. Pellgarllh perubahall Ilisbah NO/U pada IIrallil Ililrat terlwdap dellsilas kemel kemel U30S
Demikian juga kernel U30g hasil kalsinasi gel pada suhu 800°C selama 4 jam mempunyai pori-pori lebih kecil. Pada kondisi nisbah NO)U< I,G terbentuk dispersi partikel padat dalam larutan sehingga reaksi uranium dan PYA menghasilkan sol padat, sulit digelasikan dalam larutan medium amonium hidroksida, gel yang terbentuk tidak bulat, loncong, mudah pecah pada \Vaktu kalsinasi. Pada kondisi nisbah N03/u > 1,6, larutan uranil nitrat bcrsifat asam dan konsentrasi ion nitratnya tinggi, schingga pad a proses pcptisasi pcncam-
dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
dan Teknologi
Nuklir
76
ISSN 0216 - 3128
--~-~~-----------_._-----------puran PV A dengan uranium encer, gel yang terbentuk pada baik, tidak bulat, lemas, mudah kalsinasi dengan menghasilkan mempunyai densitas lebih kecil. Pada Tabel perubahan nisbah porositas kernel
menghasilkan sol proses gelasi tidak pecah pada proses kernel oksida yang
2
ditunjukan pengaruh N03/U terhadap analisis
U30g.
Porositas kernel oksida
uranium paling kecil dihasilkan pad a kondisi =1,6 yaitu sebesar 23,75%Vol. nisbah N03/U Sedangkan pada kondisi nisbah N03/U< 1,6 dan N03/U
> 1,6, kernel
U30g
hasil kalsinasi gel
pada suhu 800°C selama 4 jam mempunyai porositas lebih besar. Pada kondisi nisbah tersebut kernel yang dihasilkan mempunyai pori-pori lebih besar dibandingkan dengan pori-pori kernel yang dihasilkan pada kondisi nisbah N03/U =1,6. Tabcl
2. Pengaruh perbandingan NO/U pada /Irani! nitra! terhadap analisis porositas kernel UJO" 30,50 Porositas 2,00 1,60 3,00 2,50 2,80 33,19 31,81 23,75 0,68 1,00U30S 26,52 37,75 33,99 N03/U (% Vol)kernel Perbandingan
Catatan : Pengaturan perubahan digunakan laruatan NH4N03 5 M
nisbah N03-/u
Dari hasil percobaan dan pembahasan diatas dapat dipahami bahawa kondisi larutan uranil nitrat paling baik yang dapat digunakan sebagai kondisi proses pembuatan kernel oksida uranium dan bahan bakar uranium dioksida dengan proses sol-gel emulsifikasi Nukem adalah pada konsentrasi asam bebas = 1,2-1,6 M, rerata =1,4 M dan nisbah N03-/u =1,6.
KESIMPULAN Dari hasil percobaan dan pembahasan diatas dapat disimpulkan: 1. Pada proses emulsifikasi Nukem, asam bebas dan nisbah N03-/u dalam larutan uranil nitrat berpengaruh terhadap perubahan densitas dan porositas kernel U30S
._-_.~_._---~.
Damllllir __
.~_~
_ ._"_U._"u
_.•
pada kondisi asam bebas = nisbah N03-/U= 1,6
dall SllkarSOllO ~
.__.~ .•
1,2 - 1,6 M dan
SARAN Penelitian ini perlu dilanjutkan pada larutan uranil nitrat mempunyai kadar asam bebas > 2 M > 3, karena pada kondisi dan nisbah N03-/u terse but kernel oksida uranium yang dihasilkan mempunyai densitas terlalu kecil, pori-pori terlalu besar dan kualitasnya kurang baik< 1-3).
DAFT AR PUST AKA 1. NICKEL,H .," Development of Coated Fuel Particles , KFA Cntributions. Within the Frame of German High Temperature Reactor Fuel Development Program, Kernforscunganlage, KF A, Jul-684-R W, Translation, August, (1970). 2. HAAS,P.A., BEGOVICH,J. M., RYON, A.D and VAVRUSKA,J .S.," Chemical Flowsheet Condition For Preparing Urania Sphere by Internal Celation', Oak Ridge National Laboratory, OAK Ridge, Tennessee 37830, Operated by Union Carbide Corproration for the Departement of Energy, ORNL/TM6850, Dist Category UC-77, (1977). 3. ABDEL HALlM,A.S., ELSA YEDALl,M., AFIFI,Y_K and AFIF1,N.,"Thermal and X-ray Analysis Studies of U03 Gel Microspheres", Journ"al of Thermal Anaysis,Vo132(I987) 1071-1097, August 27, (1986). 4. SIGIT DAN SUMARTONO,W.P," Penentuan Potensiometrik Uranium dengan Modifikasi Metode Titan'" Prosiding Loka karya Kimia dan Teknologi PBMl Nuklir -BATAN, Y ogyakarta, (1987). 5. MILLER, R.S AND O'LEARY, J ," Premery Chracterization and standariation of Uranium and Thoria Powder for Extrusion", AllisChalmer, Manufacturing Compony, Nuclear Power Departement, U.S AEC Contact No AT(II-I-767). From meeting of characterization of uranium dioxide Oak Ridge, December
12-13,1961, pp 298-328
6. MIKHAEL,R.S.H and ROBEN.E.," Micro structure and Thermal Analysis of solid Surface", JohnWilIey & Son by Wiley Heyden LTD, New York, pp 1-29, (1983).
2. Kondisi larutan uranil nitrat terbaik yang dapat dipakai untuk pcmbuatan kernel U30S adalah Prosiding
Pertemuan
dan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
dan Teknologi
Nuklir
DamulI;r
dall Sukarsollo
ISSN 0216-3128
TANyA-JAWAB-------
----
Tumpal P. Bagaimana cara mengatur larutan uranium terhadap
n
77
--·-----T--------- .---Banyak--UO;-y~ng
-terbentuk dipe~garuhi oleh besarnya asam bebas ( H+ ) dan nisbah NO/V dalam uranil nitrat. Jika V03 yang dihasilkan tidak sesuai akan berpengaruh pada sifat jisis kernel V30S yang dihasilkan meliputi densitas dan porositasnya.
tingkat keasaman sifat fisis kernel
U30g.
Damunir
Abdul Latief Pengaturan keasaman larutan uranil nitTat yang digunakan pada proses emulsifikasi Nukem adalah menggunakan HCl5 M.
Endang S. Bagaimana mekanisme pengaruh asam bebas/ N03/ U tcrhadap densitas dan porositas ? Damunir Pertama kali ion nilral atau nisbah NOl V dalam uranif nilral dinerralkan dengan NH~OH 13,45 M membentuk kompleks [VO:(OH) cl+:. Serelah if It bereaksi dengan ion H+ dari asam bebas, membenruk kompleks [VO:(OH)F dan H:O. Kemudain fe/jadi reksi spollfanifas lIIelllbenruk dispersi koloid V03 dan melllbebaskan ion H- kelllbali. Seperri reaksi berikul ; UO,INO
+ 2,\'II.NO,
Dari gambar 1, densitas vs molaritas asam bebas, maka densitas yang diperoleh relatif yang sarna. Berapa batas densitas U30g diinginkan ? Damunir V30S yang Bafas densitas kernel diinginkan dari hasi/ proses Sol - gel emulsifikasi Nukem, sebagai bahan baku unfuk bahan bakar reakfor suhu finggi adalah ~ 96 % Dr , (Dr = densitas feoritis). Harga Dr unfuk kernel V30S adalah 8,40 g/ ml (Miller, 1961). Hasil percobaan, densitas kernel V30S paling besar adalah 5,8 g/ml .. sama dengan 5,8/8.4 x 100% = 69,05 %. lebih kecil dari 95 % Dr. Jadi belum melllenuhi balas kriferia yang diperlukan sebagai bahan baku untuk bahan bak"r reaklOr dimas.
+11 (awm bebas)-+/<J().-(.()/.Ifj- +/1,0 ...,....
fW);fQlIH
_ +-'-
UO,I,\'O,), + 2 NII,OIl...,....
+-'-
UQ, ~ __----1:L UO., + 2N/i,;\'0 .• +
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
