PEMBUATAN Ca-MONTMORILLONITE DAN KOEFISIEN DIFUSI
85SR
+2DALAM Ca-MONTMORILLONITE TERPADATKAN
Yuli Purwanto, Jaka Rachmadetin*
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN
*Program Master Universitas Hokkaido Email : [email protected]
ABSTRAK
PEMBUATAN Ca-MONTMORILLONITE DAN KOEFISIEN DIFUSI 85SR+2 DALAM Ca- MONTMORILLONITE TERPADATKAN. Bentonit terkompaksi adalah kandidat material penyangga dalam disposal tanah dalam untuk limbah radioaktf tingkat tinggi. Rendahnya konduktivitas hidraulik bentonit berfungsi untuk menghambat intrusi air tanah kedalam fasilitas penyimpanan, yang dapat menunda korosi wadah penyimpanan limbah dan overpack limbah tersebut. Komposisi ion Na+dalam montmorillonite dapat berubah menjadi ion Ca+2karena interaksi dengan material sementasi. Ca-montmorillonite dibuat dari Na-montmorillonite Kunipia F karena mengandung lebih dari 99% montmorillonite. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui koefisien difusi dari85Sr+2 dalam Ca-montmorillonite terpadatkan. Pengukuran difusi Sr-85 dalam ca-mntmorillonite ditentukan dengan satu dimensi menggunakan metode non- steady diffusion. Dari pengukuran koefisien difusi pada beberapa suhu dapat ditentukan energi aktivasi untuk difusi85Sr+2 dalam Ca-montmorillonite terpadatkan densitas kering 1 Mg m-3adalah 5,942 kJ mol-. Dari pengukuran energi aktivasi dapat disimpulkan bahwa difusi85Sr+2pada Ca-montmorillonite lebih dominan melalui ruang interlayer.
Kata kunci : montmorillonite, difusi, energi aktivasi ABSTRACT
MAKING THE Ca-MOTMORILLONITE AND THE DIFFUSION COEFFISIEN OF 85Sr+2 IN COMPACTED Ca-montmorillonite. Compacted bentonit, is a buffer material candidate for geological disposal of high- level radioactive waste. The low hydraulic conductivity of bentonite serves to retard the intrusion of groundwater into the storage facility, which will therefore delay the corrosion of waste storage containers and the waste overpack. The composition of Na+ions in montmorillonite could be altered changed with Ca+2due to interaction with cementatitious materials. Ca-montmorillonite maked from the Na-montmorillonite of Kunipia-F becouse consist more than 99% of montmorillonite. The purpose of this reseacrch is to determine the coeffisien diffusion of 85Sr+2in the compacted Ca- montmorillonite. The apparent self-diffusion coefficients of 85Sr2+ in the montmorillonite were determined by one- dimensional, non-steady diffusion experiments. From measurements of the diffusion coefficient on several temperature can be determined the activation energy of the compacted Ca-montmorillonite with dry density 1 Mg m-3is 5,942 kJ mol-. From the measure of the activation energy can be concluded that the diffusion85Sr+2in compacted Ca-montmorillonite more occurs via interlayer spaces.
Keywords : montmorillonite, diffusion, energy activation
PENDAHULUAN
Bentonit terkompaksi adalah kandidat material penyangga dalam disposal tanah dalam untuk limbah radioaktif tingkat tinggi [1,2]. Fungsi penting dari bentonit terpadatkan adalah untuk menghambat transportasi radionuklida dari wadah limbah ke lingkungan batuan sekitar lokasi disposal[3]. Hal ini terutama disebabkan oleh konduktivitas hidraulik yang rendah serta faktor retardasi yang tinggi terhadap pelepasan radionuklida dari fasilitas penyimpanan limbah radioaktif.
Rendahnya konduktivitas hidraulik bentonit berfungsi untuk menghambat intrusi air tanah kedalam fasilitas penyimpanan, yang dapat menunda korosi wadah penyimpanan limbah dan overpack limbah tersebut. Berkaitan dengan konduktivitas hidraulik bentonit yang rendah, migrasi radionuklida banyak dideskripsikan dalam mekanisme difusi. Karena itu koefisien difusi memiliki peran penting untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered barrier sistem penyimpanan limbah [4]. Namun difusi radonuklida dalam bentonit terpadatkan adalah suatu hal yang rumit, karena bisa dipengaruhi oleh banyak parameter, seperti struktur mikro bentonit, tingkat pemadatan, mineral yang terkandung dalam bentonit, pori kimia air, dan jenis tukar kation yang dipakai [5].
Kandungan montmorillonite dalam bentonit lebih dari 80% , dimana montmotillonite yang tersedia dipasaran diproduksi dari bentonite, seperti Kunipia F (Jepang) terdiri lebih dari 99%
montmorillonite [5]. Dalam penyimpanan limbah radioaktif menggunakan montmorillonite ion Na+dapat berubah menjadi Ca2+yang dihasilkan dari air tanah. Ion Ca2+bisa dihasilkan dari air tanah atau dari degradasi material semen penyusun wadah limbah atau fasilitas penyimpananan limbah tanah dalam. Sehingga dalam penelitian ini akan menghitung koefisien difusi85Sr+2dalam padatan Ca-montmorillonite densitas 1.6 Mg m-3yang dikondisikan pada suhu difusi 288, 298, 313, 323 K atau 15, 25, 40, dan 500C.
Difusi adalah peristiwa dimana terjadi transfer materi melalui materi lain. Transfer materi ini berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh gravitasi thermal. Difusi merupakan proses irreversible. Difusi dalam kondisi transien, dimana konsentrasi berubah terhadap waktu. Cx merupakan fungsi waktu yang juga berarti bahwa fluksi materi juga merupakan fungsi waktu.
Keadaan transien ini digambarkan pada Gambar 1. Pada t = 0 konsentrasi di x adalah Cx0= 0; pada t=t1 difusi telah terjadi dan konsentrasi di x meningkat menjadi Cx1; pada t=t2 konsentrasi di x meningkat menjadi Cx2, dan seterunya.
Gambar 1. Difusi dalam keadaan transien
Perubahan konsentrasi adalah selisih antara fluksi yang masuk di xa dan fluksi yang keluar di x, Jxa - Jx. Selisih yang terjadi setiap saat ini merupakan perubahan konsentrasi, Cx.
Sementara itu fluksi yang keluar di x adalah = + . Oleh karena itu maka ini disebut Hukum Fick ke-dua.
= (1)
Hukum Fick Kedua menyatakan bahwa laju perubahan komposisi sebanding turunan kedua (Laplacian) konsentrasi. Untuk sumber planar dengan zar terlarut berada pada jumlah yang kecil dalam suatu sistem silinder dengan panjang takterhingga, diasumsikan proses difusi independen terhadap panjang jejak difusi. Persamaan diatas berubah menjadi,
( , ) = − (2)
Dimana Da adalah koeffisien difusi (m2 s-1), A adalah konsentrasi keseluruhan (count m-3), t adalah waktu difusi (s), x jarak sumber dengan titik pengukuran (m), M adalah konsentrasi per unit area (count m-2) [7].
Dari perhitungan difusi menggunakan persamaan diatas dapat digunakan untuk menghitung energi aktivasi. Dengan mengikuti persamaan Arrhenius,
= (3)
Dimana D adalah koefisien difusi, Ea adalah energi aktivasi dalam kJ mole-1, R adalah konstsnta gas (8,314 J mole-1K-1), T adalah temperatur absolut dalam K. Sedangkan D0adalah parameter Arrhenius (m2s-1) atau disebut faktor pre-exponensial.
METODE
Kunipia-F. Radionuklida yang digunakan dalam penelitian ini adalah 85Sr+2 karena mempuyai waktu paro yang relatif pendek (64,84 hari) sehingga aktivitas dari Ca-montmorillonite yang diukur dapat diketahui fenomena perubahannya dalam waktu difusi yang singkat. Pemilihan85Sr juga memperhatikan faktor pananganan radionuklidanya yang relatif mudah.
Tabel 1. Karakterisasi Na-Montmorillonite Kunipia-F [8]
Parameter Satuan Nilai
Kandungan Montmorillonite % >95
Ukuran partikel µ m 75–150
Luas permukaan spesifik dengan metode BET m2kg-1 4.50x104 Luas permukaan spesifik dengan metode EGME m2kg-1 7.00x105
Untuk mengetahui pengaruh dari pertukaran kation terhadap difusi radionuklida dalam montmorillonite, sodium-montmorillonite dirubah menjadi kalsium-montmorillonite menggunakan proses pertukaran kation. Sebanyak 20 g Na- montmorillonite dimasukkan kedalam 1 liter larutan 1 M CaCO3, kemudian dilakukan pengadukan selama 24 jam. Setelah proses pengadukan selesai, Na-montmorilonite diendapkan selama 24 jam, kemudian larutan CaCO3diganti dengan yang baru.
Proses pengadukan, pengendapan dan penggantian secara berturut-turut dilakukan selama 4 kali pengulangan. Montmorillonite dikeluarkan dari larutan kemudian dicuci menggunakan air bebas mineral dengan cara memasukkan montmorillonite kedalam dialisis tube kemudian direndam dalam air bebas mineral. Air bebas mineral diganti setiap hari sampai bebas dari ion Cl, ditandai dengan larutan AgNO3. Jika air cucian sudah tidak menimbulkan warna putih saat ditetesi larutan AgNO3 maka air cucian sudah bebas dari ion Cl sehingga Ca-montmorillonite sudah bebas dari ion Cl.
Ca-montmorillonite yang bebas dari ion Cl kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 283K selama 24 jam atau sampai kering. Ca-montmorillonite yang sudah kering digerus menggunakan mortal dan alat gerus kemudian disaring menggunakan shieves untuk mendapatkan ukuran butir Ca-montmorillonite 75-150 µm. Ca-montmorillonite kemudian disimpan dalam oven pada suhu 283K.
Membuat Ca-montmorillonite terkompaksi densitas 1,6 Mg m-3dengan menimbang 10,5 gram Ca-montmorillonite kemudian dimasukkan kedalam wadah cetakan berukuran diameter dan tinggi masing-masing 20 mm. Ca-montmorillonite yang sudah dimasukkan kedalam cetakan dipadatkan dengan menggunakan alat tekan hidrolik untuk mendapatkan densitas kering 1,6 Mg/m3. Dua buah Ca-montmorillonite yang sudah dipadatkan dimasukkan kedalam wadah berisi air demin untuk melakukan penjenuhan selama 30 hari. Setelah 30 hari penjenuhan Ca- montmorillonite dimasukkan kedalam water batch atau oven untuk dalam kondisi suhu sesuai dengan suhu difusinya yaitu 288, 298, 313, 323 K untuk pengkondisian sebelum proses difusi selama 7 hari. Ca-montmorillonite yang sudah dikondisikan pada suhu difusi selama 7 hari dikeluarkan dari cetakan.
Pengukuran difusi 85Sr+2 dalam ca-mntmorillonite ditentukan dengan satu dimensi menggunakan metode non-steady state diffusion seperti dalam Gambar 2 [3]. Dalam penelititian ini radionukida Sr-85 sebanyak 10 µl pada diteteskan pada salah satu Ca-montmorillonite dan 10 µl pada Ca-montmorillonite yang ke-dua. Ke-dua sisi Ca-montmorillonite yang ditetesi radionuklida Sr-85 digabungkan kedalam sell difusi seperti pada Gambar 1. Ca-montmorillonite dimasukkan kedalam oven atau water batch untuk dikondisikan pada suhu difusi 288, 298, 313, 323 K. Waktu pengkondisian difusi antara 5 sampai 15 hari berdasarkan suhu difusinya.
Gambar 2. Skema percobaan difusi metode non-steady state
Setalah waktu difusi tercapai maka Ca-montmorillonite dikeluarkan dari sel difusi, ke-dua padatan Ca-montmorillonite dipotong masing-masing menjadi 20 bagian dengan ketebalan 0,5 mm tiap bagian. Potongan ca-montoillonite dengan ukuran dan berat yang sama dimasukkan kedalam tabung analisis untuk menentukan aktivitas Sr-85 pada masing-masing potongan.
Pengukuran aktivitas Sr-85 menggunakan NaI scintillation counter (Aloka Model, ARC-380).
Dari pengukuran tersebut didapatkan aktivitas Sr-85 pada masing-masing potongan Ca- montmorillonite sehingga bisa ditentukan koefisien diffusi dan energi aktivasinya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dengan menggunakan persamaan (2) dimana Da adalah koefisien difusi dari85Sr+2dalam padatan Ca-montmorillonite (m2/s), A adalah konsentrasi dari Sr-85 (count/m3), t adalah waktu difusi (s), x adalah jarak titik awal diteteskan Sr-85 dengan titik pengukuran (m), dan M adalah jumlah85Sr+2yang mengendap per luas area (count/m2). Koefisien difusi dapat ditentukan dengan menplotkan ln konsentrasi (x) dengan kuadrat jarak (x2) dari jarak titik tengah tiap bagian terhadap permukaan Ca-montmorillonite yang ditetesi radionuklida. Dari persamaan kuadrat didapatkan persamaan Y = aX + b, dimana a = (-1/4.D.t) sehingga nilai koeffisien difusi (D) = -(1/4.a.t).
Koefisien difusi 85Sr+2dalam Ca-montmorillonite pada temperatur 288, 298, 313 dan 323 K ditunjukan masing-masing pada Gambar 3,4,5, dan 6.
Gambar 3. Grafik hubungan ln konsentrasi85Sr+2dengan kuadrat jarak dari sumber awal sampai titik pengukuran pada temperatur difusi 288 K.
y = -42121x + 9,611 R² = 0,982
0 2 4 6 8 10 12
0,E+00 2,E-05 4,E-05 6,E-05 8,E-05 1,E-04
Ln Cpm
x2(m2)
Gambar 4. Grafik hubungan ln konsentrasi85Sr+2dengan kuadrat jarak dari sumber awal sampai titik pengukuran pada temperatur difusi 298 K.
Gambar 5. Grafik hubungan ln konsentrasi85Sr+2dengan kuadrat jarak dari sumber awal sampai titik pengukuran pada temperatur difusi 313 K
Gambar 6. Grafik hubungan ln konsentrasi85Sr+2dengan kuadrat jarak dari sumber awal sampai titik pengukuran pada temperatur difusi 323 K
Dilihat dari Gambar 3,4,5,dan 6 menunjukkan profil hubungan konsentrasi yang diperoleh dari percobaan memiliki linieritas yang baik, menunjukkan bahwa larutan 85Sr2+
terdifusi sebagai sumber lapisan tipis dan sesuai dengan persamaan (2). Dari ke empat data diatas y = -77247x + 9,723
R² = 0,984
0 2 4 6 8 10 12
0,E+00 2,E-05 4,E-05 6,E-05 8,E-05
Ln Cpm
x2(m2)
y = -62089x + 9,385 R² = 0,982
0 2 4 6 8 10 12
0,E+00 1,E-05 2,E-05 3,E-05 4,E-05 5,E-05 6,E-05
Ln Cpm
x2(m2)
y = -67456x + 9,714 R² = 0,983
0 2 4 6 8 10 12
0,E+00 1,E-05 2,E-05 3,E-05 4,E-05 5,E-05 6,E-05 7,E-05 8,E-05
Ln Cpm
x2(m2)
diperoleh nilai koefisien difusi (Da) pada suhu 288, 298, 313 dan 323 K masing-masing ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Koefisien difusi pada masing-masing suhu difusi No. Suhu difusi (K) Koefisien difusi (m2s-1)
1. 288 5,209x10-12
2. 298 6,116x10-12
3. 313 6,658x10-12
4. 323 6,886x10-12
Dilihat dari data koefisien difusi pada ke-empat suhu didapatkan nilai koefisien difusi yang hampir sama pada tiap suhu difusi, sehingga kenaikan suhu difusi tidak terlalu signifikan dalam mempengaruhi koefisien difusi dari85Sr+2dalam Ca-montmorillonite.
Dari ke-empat koefisien difusi pada masing-masing suhu dapat diketahui energi aktifasinya dengan menggunakan persamaan Arrhenius (3).
D = D Exp
Dimana D adalah koefisien difusi (m2s-1), Ea adalah energi aktivasi (kJ mol-1), R adalah konstanta gas (8,314 kJ mol-1 K-1), dan T adalah suhu difusi (K). Dengan membuat. Energi aktifasi untuk
85Sr+2dalam Ca-montmorillonite ditentukan dengan membuat grafik hubungan antara ln D dengan 1/T, sehingga slope yang didapat adalah -Ea/R seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Grafik hubungan antara koefisien difusi85Sr+2dengan suhu difusi untuk menentukan energy aktivasi
Dari perhitungan didapatkan nilai energi aktivasi difusi 85Sr+2 dalam padatan Ca- montmorillonite adalah 5,942 kJ mol-1. Kozaki mendalihkan bahwa ada tiga kemungkinan jalur difusi dalam montmorillonite terkompaksi yang jenuh terhadap air yaitu melalui pori air, permukaan eksternal dan ruang interlayer dalam montmorillonite terpadatkan [9]. Dari hasil pengukuran energi aktivasi 85Sr+2 dalam Ca-montmorillonite terpadatkan didapatkan nilai yang terlepas dari fraksi ekuivalen ion Ca+2 sehingga difusi 85Sr+2 dalam Ca-montmorillonite terpadatkan lebih dominan melalui lapisan interlayer dimana basal spacin nya konstan [6,10].
y = -0,714x - 23,46 R² = 0,919
-26,0325 -25,9806 -25,9286 -25,8766 -25,8247 -25,7727 -25,7208 -25,6688 -25,6168
3,000 3,100 3,200 3,300 3,400 3,500
Ln D
T-1/ 10 E-3K-1
KESIMPULAN
Pembuatan Ca-montmirillonite dari Na-montmorillonite Kunipia-F dilakukan untuk menentukan koefisien difusi dari 85Sr+2 dalam Ca-montmorillonite terpadatkan dalam densitas kering 1,6 Mg m-3yang jenuh terhadap air. Dari pengukuran koefisien difusi pada beberapa suhu difusi menunjukkan nilai koefisien difusi yang berbeda namun tidak terlalu signifikan perbedaannya. Melalui pengukuran koefisien difusi pada suhu 288, 298, 313 dan 323 K didapatkan nilai energi aktivasi untuk difusi85Sr+2dalam Ca-montmorillonite terpadatkan densitas kering 1 Mg m-3adalah 5,942 kJ mol-1. Difusi85Sr+2dalam Ca-montmorillonite terpadatkan lebih dominan melaui ruang interlayer.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis berterima kasih kepada Prof. Kozaki Tamotsu yang telah menjadi supervisor dalam program penelitian di Universitas Hokkaido, Dr. Singo Tanaka yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian menggunakan radonuklida. Segenap staf dan mahasiswa di loboratorium material nuklir dan lingkungan Universitas Hokaido. Penulis pertama mengucapkan terimakasih kepada seluruh staf MEXT dan NSRA yang mengatur program pertukaran peneliti di Jepang.
DAFTAR PUSTAKA
1. D.G. Brookins, Geochemical Aspects of Radioactive Waste Disposal, Springer, New York, 1987.
2. Nagra, NAGRA NTB 93-22, 1994.
3. Kozaki, T,. Sato, Y., Nakajima, M., Kato, H., Sato, S., Ohashi, H., 1998. Effect of particle size on the diffusion behavior of some radionuclides in compacted bentonite. Journal of Nuclear Materials 270 (1999) 265-272.
4. Pratomo, B., Teddy, S. 2006. Retardasi radionuklida dalam meterial buffer: difusi Zirkonium dalam Na-bentonit. Hasil penelitian dan kegiatan PTLR Tahun 2006.
5. Kozaki, T., Liu, J., Sato, S., 2007. Diffusion Mechanism of Sodium Ions in Compacted Montmorillonite Under Different NaCl Concentration. Physis and chemistry of the earth 33 (2008) 957-961.
6. J. Racmadetin, T.Kozaki, S. Sato, N. Watanabe, 2012, Effect of Ca/Na as exchengeable cation in compacted montmorillonite to the diffusion of Stontium.
7. Kozaki, T., Saito, N., Fujishima, A., Sato, S., Ohashi, H., 1997, Activation energy for diffusion of chloride ions in compacted sodium montmorillonite. Journal of Contaminant Hydrology 35 (1998) 67-75.
8. Kozaki, T., Inada, K., Sato, S., Ohashi, H., 2000, Diffusion mechanism of choride ions in sodium montmorillonite,. Journal of Contaminant Hydrology 47 (2001) 159-170.
9. Kozaki, T., Liu, J., Sato, S., 2008. Diffusion mechanism of sodium ions in compacted montmorillonite under different NaCl concentration. Physics and Chemistry of the Earth Parts A/B/C 33 (14–16), 957–961.
10. T. Kozaki, T. Sawaguchi, A. Fujishima, S. Sato, 2010. Effect of exchangeable cations on apparent diffusion of Ca Ions in Na- and Ca-montmorillonite mixtures. Physics and Chemistry of the Earth 35 (2010) 254–258.
