~
'"
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahP3TM-Batan, Yogyakarta 14-15 Juli1999
86 Buku II
~
ANALISIS GAS NITROGEN
SECARA TIDAK LANGSUNG
DALAM URANIUM DIOKSIDA
Rachmat Pratomo, R.Didiek H, Bambang Suwondo
P3TM-Batan, .fl. Babarsari Katak Pas 1008, Yagyakarta 55010
ABSTRAK
ANAL/SIS GAS NITROGEN DALAM SERB UK URANIUM DIOKSIDA SECARA TIDAK LANGSUNG. Telah dilakukan analisis gas nitrogen yang telkandung dalam serbuk UO2 secara tidak langsung. Analisis dilakukan dengan menambahkan larutan asam nitrat pekat ke dalam serbuk UO2. Gas NO yang keluar dati reaksi diserap dan dioksidasi oleh larutan KMnO4. Selanjutnya bersama dengan gas NO2 yang ada dalam serbuk, diserap dengan larutan Saltzman dan dianalisis memakai UV-Vis. Hasil menunjukkan bahwa kadar total NO2 dati serbuk UO2 tipe A adalah :0,995,u Ug UO2, tipe B:2,271,u llg UO2, tipe C: 2,850,u Ug UO2 dan tipe D : 4,407 ,u Ilg UO2. Temyata tinggi kadar N2 pada waktu pembuatan serbuk UO2, akan menunjukkan tinggi kadar NO2 nya. Kesimpulannya, analisis tidak langsung jni dapat digunakan.
ABSTRACT,
INDIRECT ANAL YSIS OF NITROGEN GAS ON URANIUM DIOXIDE. Analysis of the nitrogen gas concentration in uranium dioxide has been done. The uranium powder was dissolved in a HNO3 solution. The NO gas released from the uranium dioxide, was absorbed and oxidized by KMNO4 .The analysis of NO2 product was done by UV-Vis. The experiment proved that the total concentration of N2 gas in UO2 type A was 0,995.u I/g UO2, type B was 2,271 .u IIg UO2, type C was 2,850.u I/g UO2, and UO2 type D was 4,407.u IIg .It can be concluded that the higher of N2 concentration in the preparation of UO2 powder the higher the concentration of the NO2, and thus the indirect analysis could be used.
PENDAHULUAN
V arakteristik serbuk uranium dioksida, meliputi
.l""-sifat fisis clan sifat kimia akan mempengaruhi keberhasilan suatu serbuk uranium dioksida untuk
dapat dibuat sebagai elemen bahan bakar nuklir. Sifat-sifat fisis tersebut meliputi ukuran butir, distribusi serbuk, densitas clan perbandingan O/U.
Sedangkan sifat kimia meliputi jumlah tak murnian,
baik yang berupa gas, seperti nitrogen, hidrogen atau oksigen, clan yang berbentuk logam misalnya boron, cadmium, aluminium atau besi. Adanya tak
murnian ini dapat terjadi karena kurang
sempurnanya proses atau terjadinya tak mumian pengotor selama proses pembuatan serbuk uranium dioksida. Proses pembuatan serbuk terdiri dari
beberapa tahap : pelarutan, pemurnian, pengeringan,
kalsinasi clan reduksi.
Dalam penelitian ini titik berat
permasalahannya adalah pada analisis kadar gas
nitrogen yang terkandung dalam serbuk uranium dioksida. Proses reduksi merupakan tahapan yang paling besar kemungkinannya untuk menyumbang
gas nitrogen. Hal ini disebabkan karena pada proses
tersebut banyak digunakan gas nitrogen, baik sebagai campuran gas hidrogen maupun sebagai pendingin. Banyak sedikitnya gas nitrogen yang dikandung dalam serbuk uranium dioksida akan mempengaruhi sifat bahan. Makin banyak gas nitrogen ada dalam serbuk, maka serbuk akan bersifat rapuh, mudah pecah, sebaliknya makin sedikit jumlah gas nitrogen dalam serbuk, maka
serbuk akan lebih mampat. Perbedaan jumlah gas
yang ada dalam serbuk uranium dioksida dapat
dikendalikan pada proses reduksi.
Pada proses reduksi akan terjadi reaksi antara serbuk triuranium oktosida dengan gas
hidrogen pada suhu tinggi sebagai berikut :
U30S + 2 H2 <::> 3 UO2 + 2 H2O (1)
Beberapa faktor yang berpengaruh pada reaksi reduksi ini antara lain adalah :
1. Suhu Reduksi
Faktor ini berpengaruh terhadap harga konstanta
keseimbangan reaksinya, makin tinggi suhu
reaksi harga konstantanya makin besar
pula. Tetapi faktor ini dibatasi oleh adanya
Rachmat Pratomo, dkk
Kimia Nuklir ISSN 0216-3128
Metode analisis untuk menentukan kandungan gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida dalam penelitian ini merupakan analisis tidak langsung. Artinya basil yang diperoleh tidak
secara langsung menunjukkan kadar gas
nitrogennya dalam serbuk. Melainkan kadar gas nitrogen ini diperoleh dengan menghitung dari data yang diperoleh. Data yang diperoleh menunjukkan jumlah kandungan gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida (UO2). Hasil ini dapat diperoleh dengan menangkap gas tersebut dengan larutan khusus, yaitu larutan salztman. perhitungan dapat dilakukan dengan adanya harga konstanta
keseimbangan gas NO2, yaitu sebesar log Kf =
-9,082.
Gas N02 yang di analisis merupakan jumlah daTi gas N02 yang dikandung oleh serbuk U02 dan gas NO yang terjadi daTi proses pelarutan serbuk U02 dengan asam nitrat pekat. Dimana gas tersebut dioksidasi terlebih dahulu menjadi gas N02 dengan KMnO. menjadi gas
N02-Reaksi pelarutan serbuk U02 adalah sebagai berikut, 3U02 + 8HN03 ~ 3U02(N03)2 + 2NO + 4H20 (2) Sedangkan untuk menentukan jumlah gas N2, dapat dilakukan melalui persamaan keseimbangan. Reaksi keseimbangannya adalah :
2 N02 <=> N2 + 2 02. (3) Kandungan gas yang terdapat dalam serbuk U02 terdiri daTi beberapa macam : CO2, H2O, CO, N2, O2 dan H2. Dari semua gas tersebut diatas pada waktu analisis akan langsung keluar daTi reaktor. Sedangkan gas NO akan terlebih dahulu akan dioksidasi oleh KMnO. menjadi N02. Selanjutnya total gas N02 diserap oleh penyerap khusus yaitu larutan Salztrnan. Untuk menjaga agar semua gas N02 dapat terserap semuanya oleh larutan, maka perlu ditentukan terlebih dahulu kejenuhan larutan penyerap.tersebut. Hal ini dapat dilakukan dengan memakai penyerapan. Demikian juga jumlah larutan salztrnan sendiri dapat divariasi volumenya.
peristiwa sintering, sehingga dalam penelitian reduksi dilakukan pada suhu 800 °C.
2. Waktu kontak
Pengaruh dari faktor ini adalah makin panjang waktu kontak reaksi, maka reduksi akan semakin baik. Hal tersebut disebabkan karena makin
panjang waktu kontak akan menyebabkan makin
sempurna kontak kedua rase terse but Tetapi
faktor inipun dibatasi oleh waktu optimum, dan
untuk penelitian ini waktu kontak adalah 3 jam.
3. Ukuran butir serbuk U3Og
Serbuk dengan ukuran butir yang lebih kecil akan mempunyai luas bidang kontak yang lebih besar
dibandingkan dengan serbuk dengan ukuran butir
yang lebihbesar.
4. Kemurnian gas hidrogen yang dipakai
Kemurnian atau kadar gas hidrogen yang dipakai
akan berpengaruh pada kesempurnaan reaksinya,
makin murni gas hidrogen yang dipakai reaksi akan makin sempurna, untuk mengubah kemurnian gas hidrogen ini dapat dilakukan
dengan mencampur dengan gas nitrogen dengan
perbandingan yang tertentu pula.
Seperti telah disebutkan didepan bahwa kadar nitrogen dalam serbuk uranium dioksida dapat
dikendalikan dengan proses reduksi, hal terse but
dapat dilakukan dengan cara:
1. Memvariasi kadar hirogen dengan mencampur gas nitrogen kedalamnya. Pada penelitian ini
variasi dimulai dengan perbandingan sebagai berikut:
Ii. % Hz I 20 1 40 150 160 I 12. % Nz I 80 I 60 I 50 I 40 I
2. Waktu pendinginan
Pacta proses ini pendinginan dilakukan dengan dua tara yaitu pendinginan dengan udara luar dan dengan mengalirkan gas nitrogen kedalarn reaktor untuk menggantikan gas hidrogen. Pacta
penelitian ini pengaruh pendinginan tidak dilakukan.
Pergantian gas hidrogen oleh gas nitrogen dilakukan
pacta suhu yang sarna yaitu setelah suhu 300 °c.
tercapai. TATA KERJA
Dengan proses reduksi diatas kita
memperoleh serbuk uranium dioksida dengan kadar
nitrogen yang berbeda-beda dan ini kita jadikan
cuplikan untuk mencoba mengembangkan analisis
kadar gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida. Sebagai hipotesa dapat disebutkan bahwa makin rendah kadar gas hidrogen (berarti kadar gas nitrogen makin besar) yang digunakan untuk
mereduksi , akan menyebabkan makin besar pula
kandungan gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida.
Bahan yang digunakan:
Serbuk uranium dioksida sebagai cuplikan
buatan BTP P3TM, Asam nitrat pekat pa, Air bebas mineral, Larutan KMnO4 0,1 N, Larutan Salztman, Gas hidrogen teknis, Gas nitrogen teknis, Gas LPG teknis, Gas argon pa
Alat-alat yang digunaklan
Reduktor Opa/e Furnace, Seperangkat alat
analisis, Spektro photometer UV -Vis
Prosiding Perlemuan dan Presentasi llmiah P3TM-Batan, Yogyakarla 14-15 Juli 1999
88 Buku II
Cara kerja
Membuat serbuk UO2 dari serbuk
UaOs dengan variasi H2/N2
1. Serbuk U02 basil variasi H2/N2 dimasukkan dalam reaktor
2. Larutan HN03 pekat ditambahkan perlahan-lahan kedalam reaktor
3. Pemanas dan pengadukan dijalankan
4. Subu operasi dipertahankan sekitar 80 °c.
5. Alirkan gas argon kedalam reaktor untuk mengusir gas yang terjadi
:. Tunggu sampai waktu kontaknya 3 jam (pada T 80 °c.)
Pemanas dimatikan
v. Gas NO yang terjadi akan dioksidasi oleh KMn04 menjadi N02 dan akan diserap larutan salztman
J. Analisis kadar gas N02 dengan UV-Vis dalam
tiap-tiap tingkat penyerapan
h
7
R
0
HASIL DAN PEMBAHASAN
uranium dioksida yang dalam pembuatannya memakai perbandingan N2: H2 = 1 : 4 dan
pemakaian gas argon yang ditambahkan ke dalam
reaktor belum dilakukan. Data dari percobaan
pendahuluan ini dapat dilihat pada tabel 1.
Dari tabel 1 tersebut terlihat bahwa pada
percobaan yang pertama mengalami kegagalan total.
Sedangkan untuk percobaan yang kedua kesulitan
sedikit dapat diatasi. Pada percobaan selanjutnya kesulitan barulah dapat diatasi, sehingga dapat
memperoleh basil. Melihat basil analisis, temyata
kadar gas N02 yang terserap dalam penyerap ke dua
cukup kecil, yaitu 0,006 ~Vgram. Dengan kenyataan ini dapat diambil kesimpulan bahwa kejenuhan
larutan penyerap ada pada penyerap pertama, yaitu
sebesar 0,070 ~Vgram 002. Alat analisis dapat
bekerja dengan baik pada panjang gelombang antara
190 sampai 900 nano meter. Sedangkan untuk percobaan dipakai panjang gelombang 545 nano meter. Hasil menunjukkan besamya simpangan
baku 0,07284,0,09135 clan 0,00206 (TabeI2).
Tabel 2 dan Tabel 3 menunjukkan data
analisis penyerapan gas NO2 oleh larutan Salztman,
dimana pelaksanaan percobaan dilakukan dengan
menambahkan aliran gas argon dari luar. Temyata
fungsi dari aliran gas argon tersebut, selain untuk
menanggulangi kesulitan karena adanya arus balik
juga berfungsi untuk mendorong gas yang ada dalam reaktor dan pipa atau slang menuju ketempat
penyerapan. Hal..ini mengakibatkan jumlah gas yang
terserap akan bertambah clan ini akan merubah
harga kejenuhan gas N02 seperti yang tertera dalam
tabel 1. Ontuk itu perlu adanya penambahan jumlah
tingkat yang tadinya dua menjadi tiga atau bahkan lebih.
Tabel2. Hasil penyerapan NO2 ol.eh larutan
Salztman. Dengan berat 4 gram 002 dan
100 ml HN03 No. penyerap III 0,0031 0,0015 0,0013 0,0026 0,0018 0,316 0,411 0,473 0,519 0.495 0,248 0,367 0,452 0,491 0.483 1 2 3 4 5
Pada awal daTi penelitian ini dimana belum
ada penambahan gas argon kedalam reaktor dialami
beberapa kesulitan dalam pelaksanaannya. Kesulitan
tersebut terjadi pada akhir penelitian, dimana saat pemanas dimatikan dan mulai terjadi pendinginan. Pada waktu tersebut, akan terjadi arus balik baik
larutan Salztman maupun larutan KMn04 masuk kedalam reaktor. Kesulitan tersebut dapat diatasi
dengan jalan pendinginan secara bertahap. Artinya
pemanas tidak lagsung dimatikan, tetapi suhunya diturunkan perlahan lahan dengan mengatur skala daTi pemanasnya. Tetapi untuk pelaksanaan ini diperlukan waktu yang cukup lama, selain itu dapat pula dibantu dengan membuka kran 'atas yang
menghubungkan reaktor dengan udara luar. Karena
adanya kesulitan ini, beberapa percobaan
mengalami kegagalan.
Tabell. Penentuan kejenuhan penyerapan larutan
Salztman dengan berat 4 gram 002 dan volume 100 ml HN03o
Kadar NO2, (1.11 tiap 9 UO2)
No. 1 2 3 4 5 Keterangan gagal penyerapl 0,0007 0,0028 0,0552 0,0688 0,0703 penyerap II 0,0009 0,0106 0,0071 0.0065
Pacta percobaan ini temyata kecepatan aliran gas argon berpengaruh terhadap jumlah gas NOz .Makin besar kecepatan aliran gas argon, jumlah gas NOz yang dapat diserap akan bertambah pula. Hal ini dapat terlihat pacta percobaan pertama, dim ana jika dibandingkan dengan yang kedua, ketiga daD selanjutnya jumlahnya paling kecil. Pacta percobaan kedua kecepatan aliran kita tambah
sedikit dan pacta percobaan ketiga kita tambah lagi. Sedangkan untuk percobaan keempat daD kelima
Sebagai percobaan pendilhuluan akan ditentukan dahulu sampai sejauh mana kejenuhan
penyerapan gas NO2 oleh larutan Salztman. Untuk
itu percobaan hanya dilakukan untuk satu macam serbuk UO2 saja. Dalam hat ini dipakai serbuk
Rachmat Pratomo, dkk
..
dipakai kecepatan yang sarna dengan percobaan tiga.
kekurangannya. Untuk itu masih diperlukan adanya perbaikan dengan mencoba metoda lain. Antara lain untuk melepaskan gas NO2 dari serbuk tidak ditambahkan larutan asam nitrat, tetapi dengan memanaskan serbuk UO2 menjadi U3Og atau pelarut lainnya.
UCAP AN TERIMA KASIH
Ucapan ini disampaikan kepada semua pihak yang telah turnt membantu jalannya penelitian ini sehingga terselesaikan penenlitian ini.
Pacta percobaan pendahuluan ini digunakan uranium dioksida yang tidak divariasi, karena disini kita baru akan mencari kejenuhan penyerapan
larutan Salztman. Setelah kita ketahui berapa kebutuhan penyerapan, kecepatan aliran gas argon dan teknis pelaksanaannya, barulah kita menggunakan serbuk uranium yang divariasi kadar gas nitrogennya.
Tabel 3. Hubungan antara kadar NO2 yang diserap larutan SaIztman dengan tipe serbuk VO2 berat 4 gram.
DAFT AR PUST AKA
penyerap III I 0,008 0,003 0,005 0,002 0,003 .0,007 0,006 0.008
1. "Characterization of Uranium Dioxide II Oak Ridge National Laboratory, December 12 -13, 1961 TID 7637
2. "Fuel Elements Conference" Paris, November 18 -23, 1957. United States Atomic Energy Till 7546 Book 2.
3. "Fuel Elements Conference" Paris, November 18 -23,1957, United States Atomic Energy Till 7546 Book 1.
4. "Hand Book of Chemistry and Physics" Robert C. Weast, Ph.D., 51 st Edition.
Keterangan :
ripe A = Perbandingan N2iHz = 200;0/80% ripe B = Perbandingan Nz/Hz = 400;0160% ripe C = Perbandingan Nz/Hz = 500;0150% Tipe 0 = Perbandingan NzlHz = 600;0140%
Penelitian dilanjutkan dengan variasi serbuk uranium dioksidanya. Untuk memperoleh bahan ini dilakukan dengan mengubah kadar hidrogennya, dengan mencampur gas nitrogen. Perbandingan ini dimulai daTi 20% : 80% , 40% :
60, 50% : 50% dan60% : 40%. Dengan mengubah perbandingan ini diharapkan kadar nitrogen dalam
serbuk uranium dioksida akan berbeda pula. Hal ini
terbukti dari tabel 3, bahwa makin naiknya harga kadar N2 dalam serbuk, maka jumlah kadar NO2 yang terserap oleh larutan Salztman pun bertambah
pula, pada penelitian ini tidak dibandingkan dengan
SRM.
TANYA JAWAB
KESIMPULAN
DAN SARAN.
Sumijanto
> Pada penyerapan NO2 dengan larutan Saltzman I
dan II untuk 002 tipe A didapat basil :!: sarna.
Sedangkan pada Saltzman III turun drastis. Apa
perbedaan larutan Saltzman I, II, dan III
sehingga dapat demikian.
Rachmat P.
-<:>- Maksud adanya tiga buah tabung adalah untuk menjaga kalau adanya gas NO2 yang
cukup banyak, sehingga tabung I akan
menangkap NO2 sampai jenuh. Dan NO2 yang masih lolos dapat ditangkap oleh tingkat ke II. Pada percobaan, pada I hampir sarna dengan IL disebabkan karena ko'1Sentrasi larutan Saltzman sarna.
Sahat Simbolon
> Bagaimana reaksi larutan Saltzman dengan N02?
> Berapa panjang gelombang yang digunakan?
> Bagaimana kurva kalibrasi yang digunakan?
Dengan melihat data yang diperoleh dari awal hingga akhir penelitian dapat disimpulkan bahwa analisis tidak langsung kadar N2 dalarn serbuk UO2 dengan metode penyerapan gas NO2 ini dapat digunakan. Hal ini terbukti dengan makin besarnya kadar N2 dalarn serbuk UO2, maka jumlah NO2 dalarn serbuk juga akan bertambah besar pula. Untuk tipe A diperoleh kadar NO2 total adalah 0,535 illig, tipe B = 2,271 illig, tipe C = 2,850 illig dan tipe D = 4,407 illig.
Walaupun anal is is ini sudah dapat memberikan hasil yang cukup baik, tetapi masih ada
ISSN 0216-3128 Kimia Nuklir
Prosiding Perlemuan dan Presentasi llmiah P3TM-Batan, Yogyakarla 14-15 Juli 1999
90 Buku II
Supriyanto
~ Dari judul penelitian yang dianalisis adalah gas
nitrogen sedang dalam kesimpulan diperoleh gas
NO2o Apakah sudah dilakukan konversi? Mohon
penjelasan.
Rachmat P.
-.t>- Pada makalah ini diketahui harga besaran log Kf = -9,082, sehingga untuk menghitung besarnya gas N] adalah dengan reaksi : 2NO] ~ N] + 20]0 Percobaan ini adalah analisis tidak langsung.
» Bagaimana reaksi pengusiran gas nitrogen?
Rachmat p.
~ Pertanyaan ini, sl!Yang saar ini belum dapat
dijawab, karena belum sl!Ya pelajari. ~ Panjang gelombang alar ini antara 190
-900 nano. Pada penelitian dipakai 545 nanometer.
~ Pada percobaan ini kilo secara langsung
memakai panjang gelombang 545
nanometer.
~ Reaksi pengusiran gas nitrogen adalah
dengan melarutkan UO] dengan HNOj.
Kimia Nuklir Rachmat Pratomo, dkk
