Sutoto
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN Kawasan PUSPIPTEK, Serpong 15310
ABSTRAK
STUDI PENGOLAHAN LIMBAH YANG DITIMBULKAN DARI DEKONTAMINASI ELEKTROPOLISHING STAINLESS STEEL 304 SECARA SINERGI ELEKTRO FILTRASI DAN PERTUKARAN ION DALAM RESIN. Telah dilakukan rancangan metode pengolahan limbah dekontaminasi elektropolising logam
stainless steel 304 dengan metode filtrasi dan pertukaran ion dengan resin kation. Tujuannya adalah untuk mendapatkan alternatif sistem pengolahan limbah dengan kandungan kation tinggi dan memudahkan pengelolaan selanjutnya. Sistematika sinergi proses terjadi di kolom membran elektrolit nafion yang diisi serbuk penukar ion dan dibagian luarnya disekat menjadi 2 bagian yang tidak saling berhubungan secara elektrolit terkecuali melalui kolom membran terpasang. Pengikatan kation limbah yang dilewatkan kolom resin terjadi dan dipercepat pelepasannya oleh pengaruh elektroda yang bermuatan. Hasil yang didapatkan adalah sebuah sistem pengolahan limbah elektrolit yang teraplikasi dari metode pertukaran ion dan filtrasi elekrolit.
Kata kunci : Limbah cair, dekontaminasi elektropolishing, penukar ion dan elektro membran filtrasi
ABSTRACT
STUDY OF TREATMENT ELECTROLYT WASTE GENERATED FROM ELECTROPOLISHING DECONTAMINATION OF 304 STAINLESS STEEL BY THE SINERGY OF ELECTRO FILTRATION AND ION EXCHANGE METHODS. The prelimanary design of treatment method of stainless steel 304 electropolishing decontamination waste was done by sinergy of electrofiltration and ion exchange methods. The obyective of study to reducing of cation soluted to minimazing concentrate and make simple in treatment conditioning. Sinergy process mechanism occur in the electro membrane column filled of cation resin and it is placed in the PVC tube. The volume space between part of column resin and part of pvc tube was divided and separated to become in 2 compartements as electrode adjusted and possible only for an passing of ionic. The cation contaminants was captured by the resin and will be realeased by leaching mechanism and it was high more impact of the electro diffusion. The result study is a unit protipe of electrolyt waste treatment with mechanism sinergy of ion exchange and electro filtration.
Key words : Liquid wastes, electropolishing decontamination, ion exchange and electro membrane filtration
PENDAHULUAN
Peralatan proses industri nuklir dirancang berkeselamatan tinggi. Bahan bahan konstruksinya dipilih yang berkualitas dengan spesifikasi tertentu, sehingga menghasilkan sistem/peralatan seperti yang ditentukan. Metal
stainless steel adalah salah satu bahan yang
banyak dipakai sebagai bahan konstruksi peralatan karena nilai ketahanan korosivitas terhadap bahan kimia dan kekuatan mekaniknya relatif tinggi. Pada pemakaiannya setelah diuji fungsi dan mendapatkan ijin beroperasi dari BAPETEN, peralatan/sistem tersebut dapat dioperasikan kinerjanya sesuai PROTAP (prosedur tetap) dan JUKLAK (petunjuk pelaksanaan) yang berlaku. Pengawasan internal dan inspeksi keselamatan dari instansi pemberi ijin operasi dilakukan secara rutin berkala waktunya. Untuk mengoptimalkan kinerja dan
keselamatan prosesnya, kegiatan maintenance
(perawatan-perbaikan) selalu dilakukan secara
rutin sesuai penjadwalannya.
Peralatan yang telah dipakai dan bersinggungan langsung dengan zat radioaktif menjadi bersifat aktif karena permukaannya mengalami proses terkontaminasi oleh zat radioaktif. Peralatan tersebut pengelolaannya harus mengikuti peraturan keselamatan radiasi, karena berpotensi menyebarkan kontaminan dan berbahaya bagi pekerja dan lingkungan sekitarnya[1]. Untuk menanganinya, maka terlebih dahulu harus dilakukan proses dekontaminasi, yaitu dengan mengambil kontaminan-kontaminan yang menempel dipermukaan bahan tersebut sehingga tingkat radioaktivitasnya rendah dan tidak membahayakan. Metode dekontaminasi yang cepat dengan tidak merusak permukaan bahan peralatan dan tidak menimbulkan limbah sekunder banyak dicari dan dikembangkan untuk
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN ISSN 1410-6086
87
mengoptimalkan program keselamatan radiasi
dalam melakukan kegiatan maintenance
peralatan.Lokasi keberadaan kontaminan dalam sistem peralatan yang tidak terjangkau oleh peralatan pendekontaminasi dan berada didalam lobang/pori-pori bahan merupakan kendala yang timbul dan akan dihadapi. Geometri ukuran peralatan yang besar juga merupakan hambatan di pelaksanaan dekontaminasi, sehingga perlu terlebih dahulu dilakukan tindakan disassembling terhadap peralatannya. Kemungkinan dampak yang ditimbulkan adalah terjadinya perubahan tingkat presisi peralatan sehingga harus disetting dan kalibrasi ulang.Untuk menanggulangi keadaan tersebut, maka diperlukan metode
dekontaminasi setempat (in situ)dengan
efiesiensi pengambilan kontaminannya besar. Dekontaminasi permukaan terjadi karena adanya proses pengikikisan atau pelarutan bahan yang berakibat terlepasnya radio kontaminan yang terkandung didalam bahan. Proses secara basah dengan larutan kimia mempunyai kelebihan dibandingkan secara mekanik, karena dapat diarahkan sebagai fluida sehingga menjangkau tempat/lokasi kontaminan
berada. Nilai faktor dekontaminasinya relatif lebih rendah dan membutuhkan waktu lama tetapi tidak merusak permukaan bahan peralatan yang akan dipakai ulang. Berbagai jenis bahan kimia; asam sitrat dan asam oksalat dengan bahan penopang gel dapat dipakai untuk
mendekontaminasi bahan stainless steel dengan
hasil baik [2,3]. Dekontaminasi peralatan proses
pemurnian uranium dan TRU (trans uranium)
dengan solven asam kuat HNO3 memerlukan zat
pendekontaminasi yang sejenis, yaitu asam kuat. Penggunaan asam sejenis tersebut untuk mengadaptasi tingkat keasaman yang ada sehingga tidak memerlukan tindakan pencucian
(flushing) terlebih dahulu[4]. Pengembangan
metode oksidasi untuk mendekontaminasi peralatan proses pemurnian bahan nuklir terus dilakukan untuk mengoptimalkan program keselamatan pekerja radiasi dan lingkungan.
Laju oksidasi permukaan logam dapat dipercepat dengan memakai senyawa pengoksidasi Ce(NO3)4 dilakukan [4-6]. Berikut
adalah reaksi oksidasi stainless steel dengan bahan pendekontaminasi Ce(NO3)4 dalam larutan
HNO3 : Ce(NO3)4 ↔ Ce+4+ 4 NO3- (1) 2 HNO3 ↔ 2 H+ + NO3- (2) Ce+4 + e- ↔ Ce+3 (3) Fe ↔ Fe+3 + e- (4) Fe+3 +e- ↔ Fe+2 (5) Cr ↔Cr+3+3 e (6) Ni ↔ Ni+2+ 2 e- (7)
Dari kegiatan dekontaminasi tersebut dihasilkan limbah sekunder yang mengandung kation penyusun logam SS 304 dan oksidatornya. Limbah tersebut bersifat radioaktif dan harus dikelola secara baik sehingga tidak membayakan lingkungan. Perlakuan reduksi volume perlu dilakukan untuk meminimalisasi hasil akhir pengolahan, diantaranya dengan cara pengendapan, pemisahan dan pemekatan kontaminan dari solvennya menggunakan metode
ion exchange dengan resin penukar ion. Pada
pengolahan reduksi volume limbah dengan metode penukar ion, dibutuhkan jumlah resin yang relatif besar dan prosesnya membutuhkan waktu panjang. Sehubungan dengan kendala tersebut maka perlu dilakukan penelitian peningkatan metode yang diharapkan dapat menghilangkan kendala-kendala diatas.
Perpaduan metode elektrofiltrasi dengan penukar ion dikembangkan untuk dapat dipakai sebagai alternatif metode pengolahan limbah sekunder proses dekontaminasi logam secara elektrokimia. TEORI
Stainless steel 304 adalah salah satu
produk engineering materials besi yang banyak
dipakai di proses industri. Tujuan utama pemakaiannya adalah untuk menanggulangi laju korosifitas permukaan bahan dari berbagai jenis bahan kimia tertentu, pengaruh lingkungan(environment) dan produk prosesnya, Karakteristik Stainless steel 304 terlihat pada
Tabel 1. Dengan menggunakan jenis metal alloy
tersebut, maka diharapkan waktu pemakaianya panjang dan menurunkan periodik
88
terjadi dalam fabrikasi peralatan, seperti
pengelasan dan mechanical attack yang
berlebihan, maka akan didapatkan cacat struktur metalurginya sehingga mengakibatkan sifat ketahanan korosifnya menurun. Berbagai jenis mekanisme korosi yang dapat terjadi pada
peralatan proses adalah ; pitting corrosion,
crevice corrosion, intergranular corrosion dan
stress corrosion. Proses terkontaminasinya
peralatan terjadi karena celah atau pori-pori permukaan yang ditimbulkan dari proses korosi tersebut termasuki zat radioaktif yang mengakibatkan bersifat radioaktif.
Tabel 1. Karakteristik stainless steel jenis 304 [6]
Jenis alloy Komposisi Tensile Strength
% berat ksi MPa
304 19Cr, 10 Ni 84 580
304L 19Cr,10 Ni, 0,003C 81 559
Oleh karena keberadaan zat radioaktif (kontaminan) ada didalam lobang atau pori-pori peralatan, maka cara pengambilannya relatif sulit jika tanpa merusak permukaan bahannya. Karena tinjauan nilai ekonomis peralatan mahal dan spesifik, maka cara dekontaminasinya harus mempertimbangkan tingkat kerusakan yang akan ditimbulkan. Salah satu cara adalah dengan memperbesar diameter lobang/pori-pori hasil korosi. Metode elektrokimia dengan oksidator
Ce(NO3)4 dimungkinkan dapat memperlebar
diameter lobang sehingga zat radioaktif dapat terlepas bersama hasil oksidasi pengikisan bahan peralatannya. Sebagai pertimbangan nilai besarnya potensial standart Ce+4 > Fe+3 > Cr+3 >
Ni+2 , sehingga Ce berperan sebagai katoda yang
dapat mengoksidasi kogam-logam penyusun metal alloy stainless steel 304. Berbagai nilai potensial elektroda standar terlihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Nilai potensial standar penyusun alloy stainless steel 304[6,7] Transformasi Potensial (volt)
Ce+4 + e-↔ Ce+3 +1,61 Fe+3 + e-↔ Fe+2 +0,771 Fe+2 + e-↔ Fe -0,440 Ni+2 + 2 e- ↔ Ni -0,24 Cr+3 +3 e- ↔ Cr -0,74 TATA KERJA Bahan yang dipakai
• Elektroda plat stainless steel berukuran panjang x lebar x tebal : 12x1x0,4 cm
• Larutan Fe(NO3)3, Ni(NO3)2 dan
Cr(NO3)3 masing-masing
berkonsentrasi 0,1 M
• Larutan HNO3 berkonsentrasi 0,001 M
• Glass wool
• Membran elektrolit nafion
• Pipa PVC berdiameter ¾ inch dan 4
inch
• Lem PVC
• Resin penukar ion
Peralatan
• Peralatan gelas laboratorium
• Timbangan analitik
• Peralatan bengkel mekanik
• Shaking machine
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN ISSN 1410-6086
89
Metode
Penelitian pengembangan metode pengolahan limbah sekunder dekontaminasi peralatan terbuat dari alloy stainless steel 304
dilakukan dengan menggabungkan proses elektrofiltrasi dengan proses penukar ion. Sistematika prosesnya seperti terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Sistimatika pengolahan limbah sekunder proses dekontaminasi elektrokimia Sistemnya dirancang dengan memperhatikan
tingkat keasamam limbah dan bahan elektrodanya dipilih berdasarkan kemudahan didapatkan dipasaran lokal dan juga tahan terhadap tingkat keasaman limbahnya. Sebagai bahan pengujian sistem, nantinya dilakukan
dengan mengumpankan limbah simulasi dari
komponen logam penyusun alloy stainless steel
304. Tahapan awal dilakukan dengan menyusun peralatan dari bahan terkualifikasi tahan asam dan mudah pengerjaannya dengan peralatan bengkel sederhana.
90
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bahan kolom dan sel elektrokimia yang dipilih adalah PVC (poly vinyl chroride), bahan tersebut mempunyai ketahanan korosif terhadap asam yang tinggi dan mudah dibentuk dengan peralatan bengkel sederhana. Bahan tersebut relatif tahan terhadap panas sampai temperatur
800 C, sehingga diperkirakan mampu
menanggulangi panas yang timbul dari pengaliran arus listrik di kedua elektrodanya. Disamping juga bukan merupakan bahan bersifat konduktor listrik yang dapat mengganggu terjadinya proses polarisasi muatan listrik. Hasil rangkaian sistem pengolahan limbah sekunder proses dekontaminasi logam terlihat pada Gambar 2.
Konfigurasi sistem terdiri dari kolom terbuat dari membran elektrolit nafion yang terstruktur penguat dalam pipa PVC dan berisi
resin penukar ion. Dari bagian atas pipa tersebut limbah diumpankan, sehingga akan kontak dan berinteraksi dengan resin. Proses pertukaran kation limbah dengan kation resin akan berjalan dan mengakibatkan terjadinya peningkatan kandungan kation limbah dalam resin. Transfer dan mobilisasi kation limbah ke resin berjalan. Oleh pengaruh polarisasi yang dibangkitkan dari elektroda, maka kation-kation limbah akan bergerak menuju katoda untuk melakukan reaksi reduksi. Pergerakan katio-kation menuju permukaan katode dibatasi oleh pori-pori membran elektrolit nafion, sehingga mengakibatkan hanya kation-kation yang berukuran lebih kecil dari ukuran pori-pori membran yang dapat melakukan reaksi reduksi di permukaan katoda. Proses tersebutlah yang mengakibatkan terjadinya selektifitas dan fraksinasi kandungan limbah. Berbagai ukuran kation logam terlihat pada tabel 3.
Tabel 3. Berbagai ukuran kation limbah[5]
Kation Jari-jari (nm) Kation Jari-jari (nm)
FeO 0,064 Zn0 0,125 Fe2+ 0,074 Zn2+ 0,074 Fe3+ 0,064 Au0 0,134 Ni0 0,115 Au+ 0,137 Ni2+ 0,069 Au3+ 0,090 Cr0 0,118 Ag0 0,134 Cr3+ 0,063 Ag+ 0,126 Cr6+ 0,052 Cu0 0,117 Mn0 0,117 Cu+ 0,096 Mn7+ 0,046 Cu2+ 0,072 Zn0 0,125
Kemudian intensitas fraksinasi kation limbah dapat juga dilakukan dengan pengaturan potensial tegangan kedua elektroda. Beberapa besaran potensial tegangan E0 dari logam terlihat pada tabel 4.
Tabel 4. Nilai potensial elektroda berbagai logam[5-7]
Logam Reaksi Reduksi Potensial arus
E0 (volts) Emas Au++ e-→ Au(padat) + 1,70 Au3+ + 3 e-→ Au(padat) +1,50 Perak Ag2+ + e-→Ag+ +1,98 Ag++ e-→ Ag(padat) +0,80 Tembaga Cu2++ 2e-→ Cu(padat) +0,34 Cu2++ e-→ Cu+ +0,15 Nikel Ni2+ + 2 e-→ Ni(padat) -0,25
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN ISSN 1410-6086
91
KESIMPULAN
Didapatkan rangkaian sistem pengolahan limbah sekunder dekontaminasi peralatan berbahan stainless steel yang merupakan penggabungan metode elektro filtrasi dengan metode penukar ion. Pengujian awal terhadap kebocoran dan pengaliran limbah simulasinya berjalan baik dan perlu dioptimalisasi dengan sampel limbah simulasi.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. BAPETEN “ Ketentuan Keselamatan
Untuk Pengelolaan Limbah Radioaktif” Perka No. 03/Ka. Bapeten/ V-1999
[2]. MULYONO DARYOKO " Dekontaminasi
Permukaan Baja Tahan Karat Dengan Metoda Kimia Berbasis Asam Sitrat" Proseding Seminar Nasional Pengelolaan Limbah VIII , PTLR-BATAN, 2010
[3]. SALIMIN ZAINUS " Dekontaminasi
Glove Box Dengan Asam Oksalat dan
Bahan Penopang Gel" Pertemuan dan
Presentasi Ilmiah Pengolahan Limbah I, Serpong 10-11 Desember 1977
[4]. IICHI INADA “ Development of
Electropolishing Decontamination Techniques for Surface Contamination
TRU Waste” Annual Meeting of The
Energy Society of Japan 1986
[5]. KHOPKAR S. M. ”Konsep Dasar Kimia
Analitik” Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta, 1990
[6]. WILLIAM F. SMITH “Principles of
Matterials Science And Engineering” McGraw- Hill, Inc, International Edition, USA,1996
[7]. TONY BIRD " Physical Chemistry For
92
