PENGARUH NETRALISASI ION NITRA T TERHADAP SIF AT FISIS KERNEL OKSmA URANIUM

1

Damunir, dkk. ISSN 0216 -3128 ₁₂₁

PENGARUH NETRALISASI ION NITRA T TERHADAP SIF AT

FISIS KERNEL OKSmA URANIUM

Damunir, lndra Suryawan, Sukarsono daft Endang Nawangsih

Puslitbang Teknologi Maju Batan, Yogyakarta.

"-ABSTRAK

PENGARUH NETRAL/SASI ION NITRAT TERHADAP SIFAT FISIS KERNEL OKSIDA URANIUM Pengaruh netralisasi ion nitrat terhadap sifat kernel oksida uranium telah diteliti. Larutan uranil nitrat yang mengandung /50 gUll dan ion nitrat 2,5 M dinetralkan dengan NH40H 5 M sampai perbandingan

[NH4+}I[NO3-} = /0 %. Larutan diubah menjadi sol dengan menambahkan 80 g PVAlllarutan, /0 ml parafin/llarutan dan 25 ml SP AN-801llarutan sambil diaduk dan dipanaskan pada suhu 80 °C selama 20 menit. Untuk mendapatkan gel berbentuk bola, larutan sol di gelasikan ke dalam larutan medium NH40H /3,45 M Gel yang terbentuk berupa bola kecil, lalu dicuci dengan Isopropil alkohol, NH40H 2,5 % dan air, kemudian disaring dan dipanaskan pada suhu /20 °C. Setelah itu dikalsinasikan pada suhu 800 °C selama 4 jam, menghasilkan kernel oksida U308. Dengan cara yang sarna dipelajari pengaruh netralisasi ion nitrat dengan memvariasikan perbandingan [NH4+}I[NO3-}= 20-80 %. Karaktwerisasi hasil ditentukan dari sifat flSis kerneloksida U308 berupa densitas memakoi piknometer dengan air sebagai pelarut. Luas muka spesifik, volume total pori dan jari pori-pori rerata memakai surface area meter dengan gas N 2 sebagai absorben, dan ukuran butir dengan mikroskop optis. Hasil percobaan menunjukkan bahwa netralisasi ion nitrat pada larutan umpan gelasi campuran uranil nitrat, span dan parafin dengan amonium hidroksida berpengaruh terhadap sifatfisis kernel oksida uranium.

ABSTRACT

--THE INFLUENCE OF NEUTRALlZ4TION OF NITRATE ION ON PHYSICAL PROPERTIES OF. URANIUM OXillE KERNEL. The influence of neutralization of nitrate ion on properties of uranium dioxides kernel has been invertigated. Uranyl nitrate solution containing uranium of /50 gll and its nitrate of 2.5 M was neutralized using NH40H 5 M to the ratio [NH4+ jl[N03-jof /0 %. The solution was changed into sol by adding SO g PVA/I. 25 ml parajinll and /0 g Span-SO II solutions while mixed and heated at SO °C for 20 minuies. In order to jind sperical gel. the sol solution was dropped into /3.45 M NH40H solution at room temperature. The formed gel was small spherical then the gels were jiltered , washed with isoprpyl alcohol, NH40H 2,5 %, water and heated at /20 °C .After that the gels were calcined at BOO °C for 4 hours. The formed U30S particles. Under a .\imilar method, the enfluence of neutralized of nitrate ion by varying 20-80 % ratio of[NH4+ jl[N°3-j. Characterization of the resulth was obtained from physical properties of the U 30S oxides in the form of density using picnometer with water as a diluent. Spesific surface area, total volume of pores and pore diameter measuremed by using surface areameter with N2 as absorbent. The Particle size was observed using optical microscope. The experiment result showed that the changing of neutralization ion of nitrate in uranyl nitrate with ammonium hydroxide affected the physical properties of uranium dioxides kernel.

PENDAHULUAN

kedalam kolom gelasi yang berisi larutan medium amonium hidroksida pacta suhu kamar meng-gunakan jarum suntik. Butiran gel memadat selama gerak jatuh vibrasi dalam kolom gelasi karena adanya reaksi antara butiran gel dengan molekul amonia, kemudian gel dicuci, dipisahkan dan dikeringkan. Gel yang sudah kering dikalsinasi un-tuk menghasilkan kernel oksida uranium U)O. (I)

Kualitas kernel oksida uranium dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya banyaknya ion nitrat dalam larutan uranil nitrat yang digunakan sebagai umpan gelasi. Adanya ion nitrat tersebut dapat mempengaruhi proses gelasi dalam medium

P roses sol-gel yang dipakai untuk pembuatan kernel oksida uranium berbentuk bola dapat

dilakukan dengan proses emulsifikasi Nukem. Proses ini menggunakan bahan baku uranil nitrat, zat aditif polivinil alkohol(PV A), emulsikator parafin clan stabilisator Sorbitol mono oleat (SP AN-80). Uranil nitrat dicampur dengan zat aditif, emulsikator daD stabilator pada suhu 70-90 °c dengan menghasilkan larutan sol, kemudian diubah menjadi gel U-PV A berbentuk butiran bola kecil, dengan tara meneteskan larutan sol tersebut

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001

122 ISSN 0216 -3128 _{Damunir, dkk} 3.4. 5. 6.

7.

8. HNO3 Merck

Polivinil alkohol Merck

Mono sorbitol oleat (SP AN-80) Merck Parafin Merck

Air bebas mineral(ABM) dari P3TM Bahan kimia yang lain

amonium hidroksida sehingga menghasilkan gel tidak baik, berlekuk, mudah rusak daD pecah menja-di serbuk uranium menja-dioksida pada suhu tinggi, akibatnya dapat mempengaruhi kualitas kernel oksi-da U3O8, juga bahan bakar kernel U02.

Untuk mengurangi pengaruh ion nitrat di atas dapat dilakukan dengan beberapa cara dianta-ranya, dengan menetralisasi ion nitrat memakai amonium hidroksida. Banyaknya amonium hidrok-sida yang digunakan untuk menetralkan ion nitrat dalam larutan uranil nitrat ditentukan oleh besar-nya perbandingan [NH4+]/[N03"J. Pada proses ne-tralisasi terjadi reaksi antara ion nitrat dengan ion amonium menghasilka:11 partikel koloid uranil hidroksida daD amonium nitrat seperti berikut,

Alat

I. Mikroskop optis

2. Surface area analyzer NOVA-IOOO 3. pH meter Beckman

4. Alat laboratorium yang lain

Cara kerja

Larutan uranil nitrat yang mengandung 150 gUll dengan kadar ion nitrat 2,5 M dimasukan dalam gelas piala 250 ml, ditambahkan amonium hidroksida NH4OH 5 M sampai perbandingan [NH4+]/[N°31 =10 %, 80 g PVA/llarutan, 10 ml/l

larutan SPAN-80 daD 25 ml/l larutan parafln. Sambil dipanaskan pada 80 DC, larutan diaduk selama 20 menit supaya terbentuk sol.. Untuk membuat butiran gel, tarutao sol diteteskan ke dalam larutan medium NH4OH 13,45 M pada suhu kamar dengan menggunakan jarum suntik beru-kuran 0,85 rom. Gel yang dihasilkan berupa butiran kecil, bulat seperti bola, kemudian diren-dam dalam larutan medium selama 24 jam, lalu dicuci dengan NH4OH 2,5 %, Isopropil alkohol daD air bebas mineral, masing-masing sebanyak tiga kali. Setelah itu dikeringkan pada suhu 120 DC, lalu dikalsinasi pada suhu 800 DC selama 4 jam untuk mendapat-kan kernel U3O.. Setelah percobaan selesai, percobaan diulangi untuk variasi [NH4+]/[N031 =20 -80%. Kernel U3O. hasil kalsinasi dirikur sifat fl-siknya meliputi luas muka spesiflk, volume pori total, jari pori rerata dengan alat surface area meter analyzer NOVA-IOOO menggunakan gas nitrogen sebagai absorbeD. Densitas diukur dengan meng-gunakan piknometer daD air sebgai pelarut. Sedang-kan bentuk permukaan kernel U3O. diamati menggunakan alat mikroskop optis.

UO2(N°3n + 2NH40H -:,. UO2(OHn + 2 NH4NO3

koloid (I)

PEMBAHASAN

Pacta tabel 1 ditunjukkan bahwa netralisasi ion nitrat dengan NH4OH 5 M dalam larutan uranil nitrat dengan kadar U = 150 g/l dan ion nitrat 2,5 M yang digunakan sebagai umpan gelasi pacta proses emulsifikasi Nukem dan dicampur dengan PV A=80 g/l, parafin 25 ml dan SPAN-80 = 10 mi. berpengaruh terhadap sifat fisis kernel oksida U)O. . Besarnya volume pori total dan jari pori rerata kernel oksida U)O. dipengaruhi oleh variasi (NH4+]/(NO)-]. Dapat dilihat pacta tabel 1. besarnya perubahan sifat fisis tersebut dipengaruhi oleh variasi (NH4+]/(NO)-]. atau jumlah NH4OH 5 M

Amonium nitrat bersifat netral dan tidak bereaksi dengan PV A, parafin dan SPAN-80 selama proses pembuatan sol, s,ehingga gel yang dihasilkan cukup stabil. Garam te~;ebut dapat dipisahkan dari butiran gel dengan pro~;es pencucian menggunakan Isopropil alkohol, amonium hidroksida dan air, dan pemanasan pacta suhu tinggi.

Banyaknyn ll.'T!o!1il!m hid.roksida yang digunakan untuk menetralisasi ion nitrat di atas mempengaruhi perbanldingan [NH4+]/[NO]"] daD juga kualitas U]O.. Jika amonium hidroksida yang

ditambahkan sedikit, reaksi antara ion nitrat dengan ion amonium tidak sempuma sehingga perban-dingan [NH4+]/[NO]"] kecit"'dan sol banyak me-ngandung ion nitrat, ak:ibatnya gel yang dihasilkan tidak baik, berlekuk, mudah rusak daD pecah menjadi serbuk uranium dioksida pada suhu tinggi. Sedangkan jika amonium hidroksida yang ditam-bahkan banyak, akan tc~rjadi pembentukan endapan am onium diuranat(AD1J). Jadi pada perbandingan [NH4+]/[NO3"] besar, ]~ada proses peptisasi akan menghasilkan sol padat dan sulit digelasikan dalam larutan medium amonium hidroksida. Gel yang dihasilkan tidak baik, bentuknya tidak bulat. Menurut Yamagishi.S dan Takahashi.Y (1980), harga [NH4+]/[NO]"] paling baik berkisar antara

55-60 % pada pH 2,75-3,05(2.3.4).

Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh netralisasi iion nitrat pada larutan ura-nil nitrat dengan amonium hidroksida ter-hadap sifat fisis kernel oksida U]O.

TATA KERJA

Bahan

I. UO2(NO)h hasil pelarutan serbuk U)O. Perancis

2. NH4OH Merck

Proslding Pertomuan dan Presentasl IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl tlluklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7.8 Agustus 2001

yang digunakan untuk menetralkan ion nitrat. Pada variasi [NH4+]/[NO)1 < 50 %, NH4OH 5 M yang ditambahkan sedikit, reaksi antara ion nitrat dengan ion amonium tidak sempurna, sehingga pada proses peptisasi, sol yang terbentuk masih banyak mengandung ion nitrat, gel U-PV A yang dihasilkan labil, mudah pecah pada suhu tinggi. Setelah dikalsinasikan pada suhu 800 °C selama 4 jam menghasilkan kernel oksida U)08 yang mempunyai permukaan berpori-pori dengan volume pori total daD jari pori rerata relatif besar. Pada variasi [NH4+]/[N0)-] = 50-70 %, reaksi antara ion nitrat daD ion amonium berlangsung sempurna dengan menghasilkan gel yang baik, bulat daD stabil. Setelah dikalsinasi menghasilkan kernel yang mempunyai permukaan sedikit berpori-pori dengan volume pori total daD jari pori relatif kecil. Dan

pada variasi [NH4+]/[N03-] > 70 %, karena NH4OH 5 M yang ditambahkan banyak maka terbentuk

endapan amonium diuranat, pada proses peptisasi menghasilkan sol padat, gel yang dihasilkan tidak bulat. Setelah dikalsinasikan menghasilkan kernel oksida U3O8 dengan permukaan berpori-pori, daD volume pori total relatif lebih kecil dibandingkan dengan volume pori total kernel oksida yang dihasilkan pada variasi NH4+]/[N0)-] < 50 % (Gambar 8) .Sedangkan ukuran butir semua kernel oksida uranium yang dihasilkan relatif tetap, karena jumlah uranium daD PV A (pembentukkan gel) yang

digunakan adalah sarna. Hal ini juga dapat dilihat pada Garnbar kurva 1,2 daD 3. Perubahan sifat fisis tersebut dapat mempengaruhi besarnya densitas daD luas spesifik kernel oksida uranium.

Tabell. Analisis sifat fisis kernel oksida UjOS menggunakan surface area meter analyzer NOVA -1000

Gambar kurva masing-masing data analisis kernel pada Tabel 1 diatas adalah seperti Gambar 1 dan 2 berikut,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Variasi [NH4..]/(NO3-], %

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Variasi [NH4+]/[NO3-), %

Gambar 2. Pengaruh variasi perbandingan [NH4+J/[NOj-J lerhadap perubahan jari pori reratal kernel oksida UjOS

Gambar 1. Pengaruh variasi perbandingan

[NH4+J/[NOj-J terhadapperubahan vo-lume pori total kernel oksida

UjOS

Proslding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

Pada Gambar 3 daD 4 ditunjukkan bahwa netralisasi ion nitrat dengan NH4OH 5 M dalam larutan uranil nitrat diatas berpengaruh terhadap densitas luas muka spesifik kernel oksida U30.. Pada Gambar I

dapat dilihat, besarnya perubahan densitas kernel oksida U30. dipengaruhi oleh besamya perban-dingan [NH4+]/[NO3"] daD pori-pori kernel oksida uranium basil kalsinasi gel U-PV A pada suhu 800 °C selama 4 jam. Gel U-PV A basil gelasi pada variasi [NH4+]/[NO31 < 50 %, setelah dikalsi-nasikan menghasilkan kernel oksida U3O. yang mempunyai densitas kecil. Densitas kernel paling besar bersal dari basil kalsinasil gel yang mem-punyai variasi [NH4+]/[NO31= 50 -60 % yaitu sebesar 7,728-7,732 g/ml. Kemudian gel yang mempunyai [NH4+]/[NO31 >60%, setelah dikalsi-nasikan densitas kernel kernel U3OS turun kembali.

dengan kernel hasil kalsinasi gel yang terbentuk pada variasi perbandingan [NH4+]/[NO]-L=50-70 %.

0

Gambar 4

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Variasi [NH4+]/[NO3-J. %

.Pengaruh variasi perbandingan [NH4+J/[NOJ-J terhadap perubahan luas muka spesifik kernel oksida

UJOS

Pacta Gambar 5, 6 dan 7 ditunjukkan bentuk permukaan mikroskopis kernel oksida 0)0. yang

diukur dengan menggunakan mikroskopis pacta pembesaran 50 X. Dari gambar tersebut dapat

dilihat bahwa bentuk permukaan kernel pacta Gambar 6 relatif bulat dan sedikit berpori-pori, pacta Gambar 5 bentuknya sedikit lonjong dan sedikit berpori-pori, sedangkan pacta Gambar 7 permukaannya pecah, berpori-pori dan tidak bulat sempurna.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Variasi [NH4]/[NO3], %

Gambar 3. Pengaruh variasi perbandingan [NH4+J/[NOj-J terhadapperubahan densita.v kerneloksida UjOS

Gambar 5. Ben/uk permukaan mikroskopis kernel oksida UjOS. hasil proses kalsinasi Gel U-P V A yang mempunyai [NH4+J/[NOj-J = 50 % pada suhu BOO °C selama 4 jam

Pacta Gambar 3 dapat dilihat, luas muka spesifik kernel oksida U30. paling besar berasal daTi basil kalsinasi gel U-PV A yang mempunyai variasi [NH4+]/[N0~1-]<50%. Setelah itu luas muka spesifiknya turun kembali sampai pacta harga paling kecil (minimum) pad;~ variasi [NH4+]/[N031=50-60 %, luas muka spesifik:nya sebesar 3,101-3,494 m2/g, kemudian naik kembali. Oari Gambar 1,2 dan tabel I dapat dilihat bahwa kernel yang mempunyai luas muka sesifik dan volume pori total yang kecil mepunyai densitas besar. Hal ini disebabkan adanya perbedaan pori-pori yang terdapat pad a masing kernel oksida U30. .

Pacta pembahasan diatas dijelaskan bahwa kernel basil kalsinasi gel yang terbentuk melalui proses gelasi emulsifikasi nukem pacta variasi per-bandingan [NH4+]/[NO)-] <50 % danNH4+]/[NO)-] >70 % mempunyai pori relatif besar dibandingkan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

Damunir, dkk. _{ISSN 0216 -3128}

Dari basil percobaan tersebut dapat dipahami bahwa kualitas kernel kernel oksida U3Og paling baik yang dihasilkan dengan menggunakan proses emulsifikasi nukem adalah pacta kondisi netralisasi ion nitrat dengan NH4OH pacta variasi [NH4+]/[NO3-] = 50-60 %. Hal ini mirip dengan basil yang dilaporkan oleh Yamagishi.S dan Takhashi. Y yaitu pada perbandingan [NH4+]/[NO3"]=55-60 % (3)

KESIMPULAN

2.

3

Pengaruh ion nitrat dalam uranil nitrat pacta proses emulsifikasi Nukem dapat dilakukan dengan amonium hiroksida.

Perubahan variasi [NH. +]/[NO]-] berpengaruh terhadap sifat kernel oksida U]Og

Kondisi [NH4+]/[NO]] terbaik adalah = 50 -60%, dimana dihasilkan kernel oksida U]Og dengan densitas 7,728 -732 g/1, luas muka spesifik =3,101-3,494 m2/g, volume pori total = 3,644 -3,729 eo3 cc/g, jari pori rerata = 21,785-24,895 A dan ukuran butir=

1390-1325 Jl m

SARAN

Karena mengingat masih banyaknya hasil butiran yang pecah pada saat pemanasan, maka masih perlu dilakukan penelitian lebih lanjut.

DAFTAR PUSTAKA

---"

Gambar 6. Bentuk permukaan mikroskopis kernel oksida U308. hasil proses kalsinasi

Gel U-PV A yang

mempunyai{NH4+jl{NO3-j = 60 % pada suhu 800 °C selama 4 jam

1. DJOKOLELONO,M., SOENTON,S., SUSAN-TO, B.G.," Studi Penggunaan Reaktor Suhu Tinggi untuk Produks listrik dan Proses Industri di Indonsia", Prosiding PPI Penelitian uasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, PPNY BAT AN, Yogyakarta 1997. 2. NICKEL,H.," Develoment of Coated Fuel

Particles, KF A Contributions Within the Frame of German High Temperature Reactor Fuel Development Program, Kernforscunganlage, KFA, Julich-684-RW, August (1970) Transla-tion.

3. YAMAGISHI,S and TAKAHASHI,Y.," Pre-p~ration of ThO2-UO2 Sol With Uranium Constain of 0 -35 % for Gelation into Mi-crospheres in CCI4 -Ammonia Media", Journal of Nuclear Science and Technology, 23(8) pp 45 -55, August 1980.

4. ZIMMER,E., GANGUALY,C., BORCHARDT, J and LANGEN,H., "SGMP Advanced Method for Fabrication of UO2 and MOX fuel Pellet", Journal of Nuclear Material, 152(1988) 169 -1777, North- Holland, Amterdam.

Gambar

7.

Ben/uk permukaan mikroskopis kernel oksidaUJO8. hasil proses kalsinasi yang mempunyai {NH4+J/{NOJ-J = 70 % pada suhu 800 °C selama 4 jam.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001

126 ISSN 0216 -3128 _{Damunir, dkk}

TANYAJAWAB

Damunir

-Ada duG buah asumsi untuk menerangkan proses netralisasi pada proses gelasi :

1. Molekul NH4NOj yang terbentuk pada proses netralisasi dengan NH40H dalam larutan UO2(NOj)2 adalah berbentuk molekul, tetapi hila keasamannya tinggi NH4NOj terionisasi menjadi NH4+ don NOj-. NH4+ kemudian bersifat sebagai donor elektron don bereaksi dengan molekul sol

Moch. Setyadji

-Dikatakan bahwa netralisasi dengan NH4OH hanya pada pH 1 -3 karena pada pH dibawah 1 NH4NO3 yang terbentuk dalarn bentuk ion, sehingga berpengaruh pada gel yang terbentuk. Apakah tidak sebaliknya, justru dijaga agar NH4NO3 yang terbentuk dalarn bentuk ion agar terpisah dari gel yang terbentuk.

-Bagaimana kalau karakterisasinya pada UO2. + +

\ I PV A-O -U- 0- PV A

I \ + +

berikatan secara koordiansi pada orbital UO2+2 yangkosong.

2. Jika keasamanlarutan UO2(N°3)2 rendah, pH J -3, NH4NO3 yang terbentuk adalah berbentuk molekul NH4NO3 tidak terionisasi don tidak bereaksi dengan sol. Donor elektron NH+ berasal dari larutan medium NH40H don berdifusi ke dalam gel U-P VA pada saar gel!'l.\'i herlang~ung. Damunir

-Da/am proses ge/asi Emu/sifikasi Nukem dan proses ge/asi yang lain, NH4HOj yang terbentuk ada/ah mo/eku/ bukan ion N~ dan NOj-mudah dipisahkan dari butiran Ge/ U-PVA me/a/ui proses pencz.rcian dengan NH40H 2,5 % dan air.

-Proses netra/isasi ion NOj- pada /arutan umpan UO2(NOj)2 sangat berpengaruh

terhadap karakterisl~i hasi/ ge/asi yaitu sifat fisis Ge/ U-PVA. butiran UjOS hasi/ ka/sinasi

Ge/ danjuga UOl h4~i/ redukri U30S.

Arie Pramudji

-Pada proses netralisasi penambahan NH.OH mangbasilkan basil samping NH.NO). Apakah pada NH. NO) ion l~H+ menjadi donor elektron pada komplek : Gel U-PV A Difusi NH) + + \ I PV A-O -U- 0- PV A I \ + +

atau tidak, mengin!~at NH.NO] tidak terion atau apakah donor elektron (NH+) tersebut diperoleh dari medium.

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelitian Dasar limu Pengetahuan dan Teknologl t-luklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Agustus 2001