PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIR DENGAN CARA …

Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006

PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIRDENGAN CARA SORPSI SIRKULER BERT AHAP

Sugeng Pumomo, Suryantoro, Hanafi K., MardiniPusat Teknologi Limbah Radioaktif

ISSN 0852 - 2979

ABSTRAKPENGOLAHAN LIMBAH RADlOAKTIF CAIR DENGAN CARA SORPSI SIRKULER

BERT AHAP. Telah dilakukan percobaan pengolahan limbah radioaktif cair dengan cara sorpsi sirkulerbertahap menggunakan 20 I gram zeolite yang ditempatkan dalam kolom berdiameter 3 cm. Lapisanzeolite mengisi kolom setinggi 18,5 cm. Umpan limbah berupa larutan Sr 2 glmL dengan laju aliI' 0, Im LIdet. Sorpsi Sr oleh zeolite diamati dengan menganalisis umpan dan beningan yang diperolehmenggunakan spektrofotmeter serapan atom. Hasil percobaan menunjukkan bahwa dengan 16 kalimengumpan ulang beningan melalui kolom, 88% Sr dapat terserap oleh zeolite. Hal ini merupakan capaianpenyerapan yang cukup berarti bila dibandingkan perlakuan dengan sekali perlaluan melalui kolom dandiharapkan dapat dilanjutkan dengan percobaan yang lebih mendekati kondisi pengolahan yangsebenarnya.

ABSTRACTRADIOACTIVE WASTE TREATMENT BY GRADUALLY CIRCULAR SORPTION. The

experiment of radioactive waste treatment by gradually circular sorption has been done by 20 I g zeolite in3 cm diameter column. Zeolite lining till up 18.5 cm colum. Feed waste is 2 g/mL Sr by tlowrate 0, ImLls. Monitoring of Sr sorption in zeolite are conducted by atomic absorption spectrophotometry analysisof feed waste and its effluent. The result show that 88% Sr have been sorbed in zeolite by 16 timerepeatedly feeding the effluent. This is a significant achievement appeal to one through waste feeding tothe column and expected to be continued by the experiment which close to real condition of treatment.

PENDAHULUAN

Pemberlakuan tarif pengolahan limbah radioaktif (PP No.6 Tahun 2001 dan PP No. 77

Tahun 2005) mengakibatkan perubahan kebijakan manajemen instalasi nuklir dalam penanganan

limbah yang ditimbulkannya. Oi sisi lain karakteristik lil11bah cair tersebut memungkinkan untuk

dikeJola tanpa harus terkena biaya pengolahan. Maka sejak tahun 2001 jumJah asupan limbah

radioaktif cair ke PTLR sangat sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali. Untuk menekan biaya

pengolahan perlu diupayakan alternatif proses pengolahan yang ekonol11is dan efektif serta

memenuhi persyaratan keselamatan. Banyak proses pengolahan yang dapat dipilih. Oalam

makalah ini diuraikan percobaan pengolahan lil11bah yang didasarkan pada proses sorpsi. Proses

sorpsi membutuhkan relatif sedikit kOl11ponen bantu untuk berfungsi sebagai satu unit peralatan.

Disamping itu dapat dipilih sorben yang sesuai dengan karakteristik limbah ul11pan sehingga

dicapai sorpsi yang optimum dan l11enghasilkan efluen lil11bah dengan tingkat radioaktivitas yang

jauh menllfun. Dalam pelaksanaan percobaan, beningan yang diperoleh sebagai keluaran dari

kolom sorpsi diul11pankan kembali berulang-ulang selama sorben masih menunjukkan

penyerapan yang cukup berarti.

174

Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahul1 2006

TINJAUAN PUSTAKA

ISSN 0852 - 2979

Sorpsi aclalah proses pemisahan antar fase clari zat terlarut. Pacla peristiwa tersebut

terjacli perpinclahan zat terlarut (solut) clari pelarut (solven) ke penyerap (sorben). Pemisahan

solut an tar fase tergantung pacla afinitas relatif solven clan sorben terhaclap solut tersebut.

Afinitas tersebut merupakan fenomena molekuler clan merupakan fungsi clari sifat-sifat kimia,

fisika, clan mekanisme elektrostatik (ikatan hiclrogen, gaya Van cler Waals clan gay a Coulomb),

serta perpinclahan muatan clan perubahan ligan clengan ion logam. Gabungan clari faktor-faktor

tersebut clapat menunjukkan hubungan non linier antara konsentrasi solut clan konsentrasi solut

yang terserap. Sorbat/solut yang clengan kelarutan renclah (Iiofobik) cenclerung muclah cliserap.

Ditinjau clari lokasi pengikatan sorbat pacla sorben, proses sorpsi clibeclakan menjacli aclsorpsi;

climana proses pengikatan berlangsung pacla permukaan sorben clan absorpsi; bilamana sorbat

masuk keclalam sorben, Weber et. AI. mengajukan persamaan tentang clistribusi sorbat ataupun

kontaminan cli antara rase solven clan fase sorben clengan koefisien aktivitas (K):

VI' v2 =molar volum untuk fasa solven clan fasa sorben

J;,1; = koefisien aktivitas untuk rasa solven clan fa sa sorben

Pertukaran ion dapat dipandang sebagai subkatagori dari proses sorpsi dan dapat

disebut sebagai sorpsi ionik yang berlangsung karena adanya gaya tarik menarik

elektrostatik antar ion di dalam larutan dengan sorben setelah lepasnya atom atau ion

yang dapat dipertukarkan (exchangeable ion). Peristiwa yang akan terjadi; adsorpsi at au

absorpsi ditentukan oleh kedudukan exchangeable ion (pada daerah permukaan at au di

bagain dalam) dalam struktur molekul sorben. Sifat pertukaran ion dapat terjadi

manakala dalam struktur molekul bahan terdapat ion-ion utama yang menyusun

sedemikian sehingga untuk mempertahankan netralitas muatan listrik, pada permukaan

bahan diseimbangkan oleh ion-ion bebas yang berlawanan muatan. Ion dengan afinitas

lebih kuat akan menggantikan atom-atom logam dengan ikatan yang lebih lemah

afinitasnya dalam struktur molekul bahan.

Kemampuan bahan dalam mengikat atau mempertukarkan kation dinyatakan

sebagai kapasitas tukar kation, KTK. Barga KTK ditentukan oleh luas permukaan

sehingga semakin ha\tls serbuk suatu bahan akan mempunyai KTK semakin besar.

175

Hasi/ Penelilian dan Kegialan PTLR Tahull 2006 ISSN 0852 - 2979

Tanah liat (clay) mempunyai KTK lebih tinggi dari kebanyakan partikel anorganik lain

karena luas pelmukaannya yang sangat besar dan mempunyai sisi muatan negatif. Luas

permukaan koloidal clay sekurang-kurangnya 1000 x luas permukaan pasir kasar. KTK

clay bervariasi menurut keadaan mineraloginya; kaolinite 3-15, illite 10-40,

smectite/montmorillonite 80-150, palygorskite/attapulgite 20-30 meq/1 OOg, Ion-ion

berkompetisi ke sisi pertukaran dan menggantikan kation yang telah terikat, hal ini

disebut selektivitas pertukaran ion. Kation pengganti umumnya Na, Ca, Afinitas

penggantian tergantung muatan listrik, radius hidrasi, dan konfigurasi molekuker. Secara

umum kation-kation divalen lebih kuat diadsorpsi dari ion-ion mono val en dan lon-Ion

yang lebih kecil cenderung menggantikan kation-kation lebih besar.

Urutan penggantian kation: Na+ < Li+ < K+ < Rb+ < Cs+ < Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ <

Cu2+ < A13+ < Fe3+ < Th4+. Urutan ini tidak berlaku mutlak. Kation dengan kekuatan

penggantian lebih rendah seperti Na+ pada konsentrasi tinggi dapat menggantikan kation-kation

yang lebih kuat. KTK juga sangat diperngaruhi oleh pH, pad a pH di bawah netral ion H+ siap

mengganti ion-ion logam, bila pH meningkat ion H+ kurang resisten untuk melakukan

penggantian.

Zeolite

Zeolite mempunyai caged structure. Kapasitas penukaran kation relatif tinggi ± 250

meq/IOOg dengan mayoritas ion pengganti berupa Ca2+, Na2+. Caged structure berfungsi sebagai

penapis molekuler. Ion-ion logam yang lewat akan dijerat dan ditangkap dengan mekanisme

penggantian ion. Lima macam zeolite di alam; analite, chabazite, clipnotilolite, erionite dan

modernite digunakan secara luas dalam pengolahan limbah termasuk pemurnian air yang

terkontaminasi radioaktif, penghilangan ammonium dari efluen pengolahan air limbah,

pemurnian air peri kanan, penyerap kontaminan gas dan adsorpsi logam-logam berat dalam air

limbah industri. Sangat baik mengadsorpsi arsen, timbal dan cadmium.

Penapis Molekulel'

Penapis molekuler adalah suat material yang mempunyai sifat adsorpsi selektif dapat

memisahkan komponen-komponen dari suatu campuran yang didasari oleh perbedaan bentuk dan

ukuran. Hal ini dikemukakan oleh McBain pad a 1932. penapis molekuler temasuk tanah liat,

kaca/gelas porus, arang porus, karbon aktif dan sebagainya.

176

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Zeolite adalah suatu kristal aluminosilkat dengan struktur rangka rantai silang terbuka

yang banyak, disusun oleh pembagian sudut tetrahedral dai Si04 dan AI04• zeolite pertama,

stilbite ditemukan Cronstedt pad a 1756 dimana mineral tersebut cepat melepas air pada

pemanasan da tampak mendidih. Nama zeolite berasal dari bahasa Yunani yang berarti batu

mendidih. Formula empiris zeolite: M2/nO.Ah03.XSi02.yH20. M menunjukkan kation yang

dapat dipertukarkan dengan valensi n, biasanya berupa ion golongan I atau II meskipun logam

lain, non logam dan kation ortanik dapat menyeimbangkan muatan negatif yang ditimbulkan

adanya AI dalam struktur. Kerangka dapat mempunyai sangkar atau saluran dengan ukuran

berbeda-beda yang biasanya terisi oleh air.

Selain Si4+ dan AI3+, ion lain dapat juga terdapat dalam kerangka zeolite. Unsure-unsur

1111 tidak perlu bersifat isoelektronik dengan Si4+ dan AI3+, tetapi harus dapat menglsl SISI

kerangka. Zeolite aluminosilikat menunjukkan muatan negatif pada struktur kerangkanya

sedangkan penapis molekuler lain bersifat netral.

Sifat Zeolite

Zeolite dengan ratio Sil AI rendah mempunyai kerangka anionic sangat kuat. Kation

pertukaran menjadikan medan elektrostatik local yang kuat dan berinteraksi dengan molekul­

molekul polaritas tinggi seperti air. Kelakuan pertukarankation pada zeolite tergantung: sifat

kation, ukuran kation (hidrous atau anhydrous), dan muatan kation, temperatur, konsentrasi

kation dalam larutan, anion terkait dari kation dalam larutan, pelarut (umumnya pertukaran

berlangsung dalam larutan air, beberapa dalam solven organic) dan karakteristik struktur zeolite.

Pertukaran kation dalam zeolite dihantarkan dengan perubahan stabilitas, kelakuan

adsorpsi dan selektifita, aktivitas katalitik dan sifat-sifat lain. Oalam beberapa kasus penyerahan

kation yang lebih besar atau kecil akan menurunkan atau memperbesar terbukanya pori-pori.

Lokasi kation tersebut dalam kristal yang akan menentukan ukuran perubahan pori. Contoh: Na+

melllbentuk zeolite mempunyai dimensi pori efektif yang lebih kecil dari yang diharapkan untuk

pembukaan kerangka dengan 8 ring anggota. Jika ion tersebut diganti dengan K+ yang lebih

besar, diameter pori menurun sehingga hanya molekul polar yang sangat kecil yang akan

diadsorp. Jika Ca2+ digunakan menyeilllbangkan mllatan kerangka struktur zeolite pori-pori

efektif terbllka lebih besar/lebar dan hanya blltuh Ca2+ separuh dari jllmlah Na +. Ion-ion ini

menempati bagian kosong dari zeolite dan tidak Illengurangi diameter pori-pori efektif dengan 8

nng. Penapis molekuIer murni mempllnyai kerangka netral menunjukkan derajat tinggi sifat

hidrfobik dan tak punya kapasitas tukar kation.

177

Hasi/ Penelilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979

Penerapan yang sangat penting dari penapis molekuler adalah sebagai katalis. Zeolite

mengkombinasi keasaman tinggi dan selektivitas tajam, luas permukaan besar dan kestabilan

panas tinggi dan telah digunakan mengkatalisis berbagai reaksi hidrokarbon seperti cracking,

hidrocracking, alkilasi dan isomerisasi. Reaktifitas dan selektifitas zeolite sebagai katalis

ditentukan dengan sisi aktif yang diakibatkan oleh ketidak seimbangan muatan antara atom

silicon dan aluminium dalam kerangka. Setiap kerangka dengan atom aluminium menginduksi

terjadinya sisi potensial asam yang aktif. Tambahan silicon murni dan penapis molekuler AIP04

mempunyai sisi asam Bronstedt dimana keasaman lemah tampak disebabkan dengan adanya

terminal ikatan OH pada permukaan luar kristal.

Selektifitas bentuk atau rupa, termasuk selektifitas bentuk reaktan, selektifitas bentuk

produk atau selektifitas bentuklkeadaan transisi, memainkan perat sangat penting dalam katalisis

penapia molekuler. Saluran dan sangkar dalam penapis molekuler sam a dalam ukuran sampai

sedang terhadap molekul-molekul ukuran yang berbeda dari saluran dan sangkar mendorong

difusi reaktan-reaktan yang berbeda, produk atau spesies-spesies dalam keadaan transisi.

Kristalinitas yang tinggi dan struktur saluran regular merupakan pandangan dari katalis penapis

molekuler. Selektivitas bentuk reaktan menghasilkan dari difusivitas terbatas beberapa reaktan

yang tak dapat lewat secara efektif dan berdifusi dalam kristal. Selekivitas bentuk prodllk terjadi

manakala difusi lambat molekul produk tak dapat secara cepat meninggalkan kristal, dan

mengarah pad a reaksi sekunder. Bentuk selektivitas pada keadaan transisi terbatas adalah suatu

efek kinetik yang timbul dari lingkungan local di sekeliling sisi aktif. Tetapan kecepatan untllk

mekanisme reaksi tertentu jika perlu keadaan transisi terlalu besar/banyak untuk membentuk

secara slap.

PENUKAR ION ALAMIAH

Pad a 1756 Baron Cronstedt menemukan zeolite, komponen tanah liat yang dapat berfungsi

sebagai penukar ion dengan kandungan utama calsium/magnesium atau natium/kalium

alllminosilikat dengan formula umum (M,2+, M22+)O;Ab03.nSi02.ml-hO. Rangka inert

aluminosilikat mempunyai jaring muatan negatif yang diseimbangkan oleh ion logam alkali atau

alkali tanah yang kehilangan ikatan pada fractur dan channel daripada kisi kristal sehingga dapat

digantikan bila dihadapkan dengan antikation berlebihan. Struktur yang porus juga menjadikan

zeolite berfungsi sebagai clothrates dan penapis molekular. Material penukar ion yang lain

termasuk montmorillonite, glauconite, kaoline, dan talc. Semuanya mempunyai rantai tetrahedra

Si04 dimana tiap atom oksigen berbagi diantara dua tetrahedral sehingga menghasilkan jarring

tiga dimensi. AI dan logam lain dapat mengganti Si.

178

Hasi/ Peneli/iall dan Kegia/an PTLR Tahlll1 2006 ISSN 0852 - 2979

TAT A KERJA

A. PENYIAPAN BAHAN SORB EN (ZEOLITE)

I. Contoh zeolite digerus dengan lumpang akik kemudia diayak bertingkat.

2. Hasil ayakan -25 +50 mesh dikeringkan 4 jam dalam oven 110°C.

3. Setelah dingin, zeolite kering ditimbang 201 gram, dimasukkan dalam kolom

sorpsl.

4. Kolom dirangkaidengan labu reservoar menggunakan statif.

B. PENYIAPAN LARUTAN UMPAN Sr DAN PERCOBAAN SORPSI

I. Ditimbang XX gram Sr(N03)2, dilarutkan dengan akuades dalam labu takar 1,0

liter, diencerkan sampai tanda tera.

2. Larutan umpan Sr dimasukkan dalam labu reservoar, umpan dialirkan ke dalam

kolom sampai lapisan zeolite terendam dan laju alir efluen keluar kolom 0, I

mUdet dengan mengatur pembukaan tap labu reservoar dan tap kolom.

3. Efluen (keluaran kolom) ditampung sampai tuntas, dicuplik 10,0 mL (loop I)

untuk analisis dan lapisan zeolite dibilas dengan 200 mL akuades.

4. Efluen (pada langkah 3) dimasukkan kembali dalam labu reservoar dan dilakukan

percobaan sorpsi dengan mengulang langkah 2-3 (sebagai loop 2).

5. Pcrcobaan sorpsi dilakukan bcrulang-ulang hingga 20 loop.

C. ANALISIS CUPLIKAN

I. Cupl ikan etluen (loop 1-20) diencerkan dengan akuades hingga sesuai dengan

rentang konsentrasi pengukuran.

2. Di lakukan anal isis konsentrasi Sr menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom.

HASIL

A. ANALISIS KONSENTRASI Sr DALAM UMPAN DAN EFLUEN.

I. DATA STAN OAR Sr I

Konsentrasi 2,03,04,05,06,07,08,0(ppm) Absorbansi

0,1810,2750,3550,4330,4860,5890,625

179

Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006

2. DATA UMP AN DAN EFLUEN

ISSN 0852 - 2979

Loop AbsorbansiFactor pengenceranKonsentrasi (ppm)Umpan awal

1,446I.

1,4332.

1,4313.

1.2564.

1,2305.

1,0766.

0,9332507.

0,8538.

0,6449.

0,55910.

0,517II.

0,38612.

0,29013.

0,36514.

0,24115.

0,18416.

0,16417.

0,08710018.

0,06619.

0,06520.

0,052

3. DATA STANDAR Sr II

Konsentrasi 2,03,04,05,06,07,08,0(ppm) Absorbansi

0,0970,1480,1970,2400,2670,33 ]0,349

3. DATA UMPAN DAN EFLUEN II

Loop Abs.Konstr2:Sr(Z)/Abs.Konstr2:Sr(Z)/(FP= 150)

(ppm)2:Sr(U)(FP=XX)(pplll )2:Sr(U)

LSrZLSrZ

LSr.ULSr.u

Umpan

1,]66 4038,42 ],446awal I.

0,908 3129,360,22511,4332.

0,886 3051,850,24391,4313.

0,772 2650,170,33941.2564.

0,702 2403,520,39681,2305.

0,606 2065,270,47391,0766.

0,490 1656,540,56500,9337.

0,459 1547,320,58880,8538.

0,374 1247,820,65250,6449.

0,252 817,950,7419 0,55910.

0,189 595,970,78700,517

180

Hasi/ Pene/itian dan Kegiatan PTLR Tahzln 2006 /SSN 0852 - 2979

II. 0,150 458,560,81420,38612.

0,117 342,280,83670,29013.

0,089 249,620,85410,36514.

0,084 226,010,85850,24115.

0,059 137,920,8742 0,18416.

0,045 88,590,8827 0,16417.

0,047 95,640,8815 0,08718.

0,039 67,450,8861 0,06619.

0,036 56,880,8878 0,06520.

0,035 53,360,8884 0,052

PEMBAHASAN

Larutan umpan yang dipakai dalam percobaan mengandllng Sr 2 gram/L, hal didasarkan

atas pertimbangan praktis berkenaan dengan limit deteksi instrumen analisis yang digunakan.

Kadar Sr dalam eflllen yang telah melewati kolom sorpsi tampak berangsllr menllrun dari loop ke

loop. Ratio kadar Sr dalam Iarutan sebeillm dan setelah melewati kolom, pada loop I sid XX

mencapai harga > XX. Oari rangkaian tahap sorpsi (loop I sid 20) atall kllrva sorpsi (GambaI'

XX) tampak bahwa pada tahap-tahap awal lajll sorpsi relatif tinggi dan selanjutnya berangsur

menurlln. Prosentase Sr terserap optimal sampai pad a loop XX dengan capaian XX. Hasil

percobaan ini menllnjllkkan bahwa proses sorpsi sirkuler bertahap c1apat meningkatkan efektivitas

sorpsi clan c1iharapkan pola yang sama juga berlakll untuk konsentrasi lImpan yang renclah sesllai

tingkat radioaktivitas limbah sebenarnya. Untuk membllktikan hal tersebllt kiranya perlu

dilakllkan penelitian lanjllt c1engan c1esain percobaan yang lebih menclekati konclisi pengolahan

yang sebenarnya.

181