DIFUSI COBALT DALAM NA-BENTONIT DAN CA-BENTONIT
Wati, Pratomo Budiman-Sastrowardoyo
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif – BATAN
ABSTRAK
DIFUSI KOBALT DALAM NA-BENTONIT DAN CA-BENTONIT. Telah dilakukan studi difusi kobalt dalam natrium-bentonit dan calcium-bentonit. Dalam studi ini kobalt digunakan sebagai unsur model. Percobaan non-steady state satu-dimensi dilakukan dengan mengadopsi metoda “in-diffusion”, untuk memperoleh koefisien difusi dinamik sebagai fungsi densitas kering Na-bentonit dan Ca-Bentonit. Hasil menunjukkan bahwa koefisen difusi dinamik kobalt tidak berbeda dalam kedua jenis bentonit. Diamati adanya dua nilai koefisien difusi dinamik untuk Na-bentonit, yang dapat diinterpretasikan adanya spesi2 berbeda dengan laju migrasi berbeda pula. Koefisien difusi dinamik turun dengan naiknya densitas kering bentonit. Rendahnya koefisien difusi dinamik berkaitan dengan tingginya faktor retardasi dan koefisien distribusi, yang dengan demikian akan menunda pelepasan radionuklida dari fasilitas penyimpanan limbah ke geosfir.
ABSTRACT
DIFFUSION OF COBALT IN NA-BENTONITE AND CA-BENTONIT. Study on diffusion of cobalt in sodium-bentonite and calcium-bentonite has been carried out. In this study cobalt was used as a model. One dimensional non-steady state diffusion experiment was conducted, adopting in-diffusion method, to get the apparent diffusion coefficient as a function of dry density in Na-bentonite and Ca-bentonite. The result shows that the apparent diffusion coefficient of cobalt was not different in both bentonites, Na-bentonite and Ca-bentonite. It is observed the existence of two apparent diffusion coefficients, that could be interpreted that the spcies of cobalt migrate with different migration rates. Apparent diffusion coefficient decreased with increasing of dry density of bentonite. Low apparent diffusion coefficient was related to the high retardation factor, in this case the realease of radionuclides from a disposal facility to geosphere will be retarded.
PENDAHULUAN
Bentonit terkompaksi telah disepakati di banyak negara untuk digunakan sebagai calon
buffer material dalam sistem penyimpanan limbah. Hal ini terutama karena konduktivitas hidraulik yang rendah serta faktor retardasi yang tinggi terhadap pelepasan radionuklida dari fasilitas sistem penyimpanan limbah radioaktif [1,2]. Rendahnya konduktivitas hidraulik bentonit berfungsi untuk menghambat intrusi air tanah ke fasilitas penyimpanan, yang karenanya akan menunda korosi wadah limbah tersebut. Kemampuan tersebut diperkirakan menurun sedikitnya setelah beberapa puluh tahun. Setelah itu fungsi isolasi bentonit terhadap pelepasan radionuklida akan menonjol. Kaitannya 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.
Sejumlah penelitian tentang migrasi radionuklida dalam bentonit telah banyak dilakukan. Namun pada penelitian2 tersebut, lebih banyak digunakan jenis2 bentonit Wyoming (USA), dan Kunigel V1 (Jepang) [3-10]. Sedangkan penggunaan bentonit asal Indonesia, yang berpotensi untuk digunakan dalam sistem penyimpanan limbah (di Indonesia), masih sangat langka. Karena itu dalam penelitian ini digunakan bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta, yang merupakan jenis Ca-bentonit [13].
Dalam penelitian ini kobalt digunakan sebagai unsur model. Disamping itu, salah satu radionuklida unsur tersebut,60Co, banyak digunakan dalam kegiatan ilmu pengetahuan dan teknologi nuklir: di bidang kedokteran, industri dan nuklir. Radionuklida 60Co terbentuk dari hasil aktivasi netron dalam reactor, termasuk aktivasi netron pada kelongsong bahan bakar [12]. Limbah yang mengandung 60Co, dari kegiatan tersebut di atas termasuk dalam kategori aktivitas rendah dengan waktu paruh sedang. Walaupun waktu-paruh 60Co, rendah, pada kondisi awal memiliki tingkat radiasi tinggi. Karena itu, cukup layak untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja sistem penyimpanan limbah.
Hasil dari penelitian ini akan disumbangkan bagi pengayaan data base tentang kelakuan radionuklida dalam bahan penyangga, yang selanjutnya untuk disubstitusikan kedalam model migrasi dalam rangka pengkajian untuk kerja penghalang rekayasa.
T E O R I
Proses difusi terutama diklasifikasikan menjadi difusi non-steady state dan difusi steady state. Dalam hal difusi non-steady state, parameter difusi dikenal dengan sebutan koefisien difusi dinamik Da
(m2s-1). Teori dasar difusi ini banyak dibahas dalam pustaka [13] Persamaan dasar difusi satu dimensi diberikan oleh hukum Fick II, seperti berikut:
2 2 0
x
x)
C(t,
D
t
x)
C(t,
∂
∂
=
∂
∂
(1)dimana C(t,x) ialah konsentrasi unsur terdifusi dalam spesimen bentonit untuk waktu t (s) dan jarak x (m). Penyelesaian secara analitik persamaan (1) dapat dilakukan dengan menggunakan syarat awal dan syarat batas:
Untuk sumber planar, dimana zat terlarut berada pada jumlah kecil dalam suatu sistem silinder dengan panjang tak hingga, diasumsikan proses difusi independen terhadap panjang jejak difusi. Syarat awal dan syarat batas ditulis seperti berikut:
C(t,x)
=
0
,t
=
0
danx
≠
0
;C(t,x)
=
0
,t
≠
0
danx
=
± ∞
; dan∫
∞ ∞ −
=
C(t,
x)dx
M
dimana M ialah jumlah total zat terdifusi per satuan luas (kg.m-2), solusi persamaan (1) dapat ditulis sebagai:
=
t
4D
x
exp
t
D
2
M
x)
C(t,
a 2 a (2) selanjutnya koefisien difusi dinamik Da dapat diperoleh dari koefisien arah garis variasi konsentrasi, C(t,x), sebagai fungsi jarak jejak, x, dalam bentuk log.[
]
Log C(t,x)
x
4D t
log
M
2 D t
2 a a=
+
(3)Beberapa unsur mempunyai kelarutan rendah. Pada penggunaan konsentrasi unsur yang melampaui kelarutannya, C0, maka syarat awal dan syarat batas dapat dapat ditulis sebagai:
0
x)
C(t,
=
,t
=
0
danx
≠
0
; danC(t,x)
=
C
0,t
>
0
, danx
=
0
Berdasarkan syarat awal dan syarat batas tersebut, solusi persamaan (1) dapat ditulis sebagai
erfc.Z
C
x)
C(t,
0=
(4)dimana erfc(Z) ialah fungsi eror komplementer:
[ ]
∫
−
η
η
π
−
=
Z 0 2d
exp
2
1
erfc(Z)
(5)Dari persamaan (4) tersebut koefisien difusi dinamik tidak dapat langsung diperoleh. Dengan mengunakan ekspansi Maclarin, maka persamaan (2) dapat ditulis sebagai:
C(t,x)
C
1
2
( 1)
Z
(n 1)!(2n 1)
0 n 1 2n 1 n=1= −
∑
∞−
−−
−−
π
(6) dimanaZ
x
2 D t
a=
(7)Selanjutnya koefisien difusi dinamik dapat dihitung dengan menggunakan program komputer. Pada penelitian ini persamaan (1) diturunkan secara numerik dengan mengadopsi metoda beda hingga, dan diselesaikan dengan program komputer. Kemudian koefisien difusi dinamik diperoleh secara “fitting”.
Bahan dan Alat
Bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta digunakan dalam penelitian ini (komposisi kimia bentonit disajikan pada Tabel 1). Bentonit ini termasuk jenis Ca-bentotit. Bentonit jenis Na-bentonit disiapkan dengan perendaman Ca-Na-bentonit dalam NaCl 24 jam, lalu pencucian dilakukan hingga bebas Cl- [11]. Sebelum penggunaannya, bentonit dikeringkan pada 110 oC selama 24 jam. Larutan kobalt 0,1 M disiapkan dengan pelarutan Co(NO3)2.6H2O dalam aquades. Peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini, ialah kolom difusi dan instrumen SSA.
Metode
Percobaan difusi non-steady satu dimensi dengan metoda in-diffusion dilakukan dengan menggunakan sel difusi, bahan stainless steel, seperti diperlihatkan pada Gambar 1, pada densitas kering bentonit 800, 1000, 1200 dan 1400 kg.m-3. Pengkondisian dengan perendaman spesimen bentonit dalam sel difusi, dalam air destilasi, dilakukan selama 2 minggu untuk mencapai kondisi jenuh (saturasi) spesimen bentonit dengan air. Setelah dicapainya keadaan jenuh, 0,1 ml 0,1 M larutan kobalt diteteskan pada salah satu sisi sel difusi.
Proses difusi dilaksanakan dengan melanjutkan perendaman sel difusi dalam akuades. Proses difusi dihentikan setelah dianggap cukup, dalam hal ini setelah 8, 11, 14 dan 17 hari, untuk masing-masing densitas kering bentonit 800, 1000, 1200 dan 1400 kg.m-3. Kemudian spesimen bentonit dipotong untuk memperoleh slice bentonit pada ketebalan 0,2 mm. Pelarutan kobalt dalam slice
bentonit dilakukan menggunakan 15 ml larutan HNO3 1 M, lalu pemisahan suspensi dilakukan dengan bantuan syringe-filter (size 0,45 mm, diameter 25 mm).
Untuk setiap 10 ml filtrat ditambahkan 0,8 ml HNO3 pekat. Kemudian pengukuran konsentrasi kobalt dalam beningan dilakukan dengan bantuan alat SSA pada panjang gelombang λ = 240,7 nm. Koefisien difusi selanjutnya diperoleh dengan metoda seperti diuraikan dalam bagian teori.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Profil konsentrasi kobalt dalam slice bentonit, pada densitas kering 800, 1000, 1200 dan 1400 kg.m-3, untuk kedua jenis bentonit disajikan pada Gambar 2 (Na-Bentonit) dan Gambar 3 (Ca-Bentonit). Koefisien difusi dinamik yang diperoleh dirangkum dalam Tabel 2. Diperlihatkan bahwa koefisien difusi dinamik kobalt dalam kedua jenis bentonit, berada pada tingkat magnifik yang sama, dan sedikit menurun terhadap densitas kering bentonit. Hal yang menarik, diamati adanya nilai 2 koefisien difusi untuk Na-bentonit. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada kondisi Na-bentonit, adanya terdapat pemisahan spesi2 kobalt. Migrasi spesi2 kobalt tersebut terjadi dengan laju migrasi berbeda, sehingga memberikan nilai koefisien difusi dinamik yang berbeda pula. Dalam banyak pembahasan tentang aplikasi data yang diperoleh, koefisien difusi untuk spesi cepat kurang diperhatikan. Hal ini karena kuantitas spesi tersebut kurang dominan dibandingkan spesi lambat [7-9]. Selanjutnya fenomena ini masih perlu difahami lebih jauh dengan mempelajari spesiasi kobalt pada kondisi2 tersebut. Pada Gambar 4 disajikan profil koefisien difusi dinamik kobalt sebagai fungsi densitas kering bentonit. Seperti telah banyak difahami, pada Gambar tersebut koefisien difusi dinamik turun terhadap kenaikan densitas kering bentonit. Demikian pula, diperlihatkan bahwa koefisien difusi dinamik radionuklida dalam Na-bentonit lebih rendah dari pada dalam Ca-bentonit.
Dari hasil pengukuran koefisien difusi dinamik dapat diperkirakan faktor retardasi, Rd, dan koefisien distribuasi, Kd, unsur dalam bentonit terkompaksi. Faktor retardasi, Rd, didefinisikan sebagai ratio koefisien difusi dalam badan air dan koefisien difusi dinamik dalam bentonit, seperti pada persamaan (8) berikut:
R
D
D
d p a=
(8)dimana: Rd ialah faktor retardasi, Sedangkan Dp dan Da (m2.s-1) masing masing ialah koefisien difusi 3H dalam badan air dan koefisien difusi dinamik radionuklida dalam bentonit.
Untuk memperoleh nilai koefisien difusi 3H dalam badan air, dapat dilakukan pendekatan melalui pengukuran koefisien distribusi 3H pada bentonit. Menurut SATO [6], dengan test serapan secara catu koefisien distribusi 3H pada bentonit demikian kecil dan dapat diabaikan, karena itu koefisien difusi dalam badan air dapat diasumsikan sebagai koefisien difusi dinamik 3H dalam
spesimen bentonit. Selanjutnya faktor retardasi dapat diperoleh dengan menggunakan koefisien difusi dinamik 3H seperti diberikan pada persamaan di atas (8). Koefisien difusi dinamik yang rendah memberikan koefisien retardasi yang tinggi, dan pelepasan radionuklida akan terhambat.
Hubungan antara koefisien difusi dinamik dengan koefisien distribusi, Kd, diberikan oleh persamaan (9) berikut [17]: d p a
K
D
D
ρ
+
φ
φ
=
(9)dimana Kd ialah koefisien distribusi (m3.kg-1), f dan r porositas bentonit dan densitas kering bentonit (kg.m-3)
Rangkuman hasil perkiraan faktor retardasi, Rd, dan koefisien distribuasi, Kd, kobalt dalam terkompaksi bentonite disajikan pada Tabel. 2 dan Tabel 3. Diperlihatkan bahwa dengan koefisien difusi dinamik yang rendah memberikan faktor retardasi, Rd, dan koefisien distribuasi, Kd, yang besar. Hal ini merupakan faktor favourable untuk penghambatan transport kobalt dalam bentonit dan pelepasannya dari fasilitas penyimpanan limbah ke geosfir, akan tertunda. Dalam hal kobalt sebagai unsur model, besaran faktor penghambatan untuk kobalt dapat digunakan untuk radionuklida dari unsur segolongan khususnya unsur2 transisi. Penjelasan lebih detail belum dapat diberikan karena penelitian lebih lengkap yang berkaitan dengan penghambatan radionuklida masih dalam pelaksanaan.
Hasil yang diperoleh ini masih perlu dilengkapi dengan hasil penelitian lain yang lebih detail dan rinci, sehingga akan diperoleh pemahaman yang lebih komprehensif tentang kelakuan radionuklkida dalam system penghalang ganda (engineered barrier).
KESIMPULAN
Dengan metoda in-diffusion telah diperoleh koefisien difusi dinamik kobalt, yang berada pada orde magnifik yang sama, baik dalam Na-bentonit maupun Ca-bentonit. Diamati adanya spesi2 kobalt yang berbeda dengan nilai koefisien difusi dinamik berbeda pula. Selanjutnya dari koefisien difusi dinamik yang rendah dapat diperkirakan faktor retardasi dan koefisien distribusi yang tinggi, yang merupakan faktor favorabel bagi penghambatan migrasi radionuklida dalam bahan penyangga. Sehingga akan menunda pelepasan radionuklida ke geosfir. Koefisien difusi dinamik yang rendah memberikan koefisien retardasi tinggi, yang akan menunda pelepasan radionuklida dari sistem penyimpanan limbah.
Sekalipun telah diperoleh data penting, yang diharapkan dapat digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered barrier dalam sistem penyimpanan limbah. Banyak aspek yang masih perlu dipelajari untuk memperoleh penjelasan lebih detail. Sementara tapak penyimpanan belum ditetapkan, perlu dilakukan studi yang dapat mengantisipasi kemungkinan kondisi yang secara riil terdapat dalam formasi geologi.
UCAPAN TERIMA KASIH
Disampaikan ke Perusahaan Daerah Aneka Industri dan Jasa Anindya Propisni Daerah Istimewa Yogyakarta. Unit Pertambangan atas bantuan bahan yang digunakan dalam penelitian ini
DAFTAR PUSTAKA
1.
Push, R (1983) Use of Clays as Buffer in Radioactive Repository”, Lulea University, Lulea Swedia2.
PNC (1993) Research and Development on Geological Disposal of High-Level Radioactive Waste, PNC-TN1410 93-012, PNC Technical Report, Tokyo3.
A. Muurinen, J. Rantanen, P. Penttila-Hiltunen (1985), Diffusion Mechanisms of Strontium, Cesium and Cobalt in Compacted Bentonite, Sci. Basis Nucl. Waste Manag.9: 617.4.
Christiansen, B. Torstenfelt, B (1988) Diffusion of Nickel, Strontium, Iodine, Cesium and Americium in Loosely Compacted Bentonite at High pH”, Radiochim. Acta 44(45): 219.5.
Conca, J.L., Ashida,T., Sato, H (1991)Apparent and Simple Diffusion Coefficient in Compacted Bentonite, Proceeding International Conference on High-Level Radioactive Waste Management 2, 1382.6.
Sato,H., Ashida, H., Kohara, Y,. Yui,M., Sasaki, N (1992) Effect Dry Density on Diffusion of Some Radionuclides in Compacted Bentonite”, J. Nucl. Sci. Technol. 29 (9): 873.7.
Torstenfelt, B., Andersson, K., Kipatasi, H., Allard, B., Olofsson, U (1982) Diffusion Measurements in Compacted Bentonite", Sci. Basis Nucl. Waste Manag., p 2958.
Torstenfelt, B., Allard, B., Andersson, K., Kipatasi,H., Eliasson, L., Olofsson, U., Persson, H (1983) Radionuclide Diffusion And Mobility In Compacted Bentonite, Skb Tr 83-34, Stockholm9.
Torstenfelt, B (1986), “Migration Of Fission Product Strontium, Technetium, Iodine, And Cesium In Clay”, Radiochim. Acta 39: 9710.
Christiansen, B.,. Torstenfelt, B (1988) Diffusion Of Nickel, Strontium, Iodine, Cesium And Americium In Loosely Compacted Bentonit At High Ph”, Radiochim. Acta 44/45: 21911.
Lumingkewas,S (1996) Konversi Bentonit-Ca Menjadi Bentonit-Na Melalui Teknik Pertukaran Ion, Thesis FMIPA Ugm (S2), Yogyakarta.12.
Benedict, M., Pigford, T.H, Levi, H.W (1981)Nuclear Chemical Engineering”, 2nd Ed., Mcgraw-Hill Book Company, New York, 198113.
Crank, J (1975) The Mathematics Of Diffusion, 2nd Ed, Oxford Univ. Press, London (1975).Tabel 1. Komposisi kimia bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta .
No Parameter Komposisi Methods
1 SiO2 84,79 Gravimetri
2 Al2O3 undetecable SSA
3 Fe2O3 undetecable SSA
4 CaO 3,22 kompleksometri
5 MgO 0,40 SSA
6 Free Acid 0,08 Titrimetri
7 PH (10% larutan) 6,5 Elekrometri
8 Loss on ignition 13,29 Gravimetri
Tabel 2. Rangkuman koefisien difusi dinamik kobalt dalam Na-bentonit.
No Densitas Waktu (hari) Da
(m2/s x 1011) Rd Kd (m3/kg x 103) 1 800 8 27,8 4,43 10,84 8,65 2 1000 11 22,9 3,39 9,76 5.51 3 1200 14 66,1 2,66 6,77 2.67 4 1400 17 3,89 2,04 6,74 1.97
Tabel 3. Rangkuman koefisien difusi dinamik kobalt dalam Ca-bentonit.
No Densitas Waktu (hari) Da
(m2/s x 1011) Rd Kd (m3/kg x 103) 1 800 8 7,19 6,68 5,00 2 1000 11 5,58 5,91 3,09 3 1200 14 4,69 3,84 1,31 4 1400 17 3,82 3,60 0,89
Gambar 2.Difusi kobalt dalam Na-bentonit, untuk densitas kering 800, 1000, 1200 dam 1400 kg/m3 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g/ cm 3) Da = 4,43 10-11 m2/s Na-800 Da = 2,78 10-10 m2/s 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g/ cm 3) Na-1000 Da = 3,39 10-11 m2/s Da = 2,29 10-10 m2/s 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g/ cm 3) Na-1200 Da = 6,61 10-11 m2/s Da = 2,66 10-11 m2/s 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g/ cm 3) Na-1400 Da = 2,04 10-11 m2/s Da = 3,89 10-11 m2/s
Gambar 3. Difusi kobalt dalam Ca-bentonit, untuk densitas kering 800, 1000, 1200 dan 1400kg/m3 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g /c m 3) Da = 4,18 10-11 m2/s Ca-800 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g/ cm 3) Ca-1000 Da = 5,12 10-11 m2/s 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C o 2 +]b ( g/ cm 3) Ca-1200 Da = 2,77 10-11 m2/s 1.0E-06 1.0E-05 1.0E-04 1.0E-03 0 2 4 6 8 10 X2 (cm2) [C 0 2 +]b ( g/ cm 3) Ca-1400 Da = 2,28 10-11 m2/s
0.E+00 2.E-11 4.E-11 6.E-11 8.E-11 1.E-10 600 800 1000 1200 1400 1600 Densitas (kg/m3) K oe fi si en D if u si ( m 2 /s ) Na-Bentonit Ca-Bentonit
Gambar 4. Difusi kobalt dalam Na-Bentonit dan Ca-bentonit, untuk densitas kering bentonit 800, 1000, 1200 dam 1400 kg/m3.
![Gambar 2. Difusi kobalt dalam Na-bentonit, untuk densitas kering 800, 1000, 1200 dam 1400 kg/m 31.0E-061.0E-051.0E-041.0E-030246810X2 (cm2)[Co2+]b (g/cm3)Da = 4,43 10-11 m2/sNa-800Da = 2,78 10-10 m2/s1.0E-061.0E-051.0E-041.0E-030246810X2 (cm2)[Co2+]b (g/cm](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3317952.2367918/7.918.183.782.191.780/gambar-difusi-kobalt-dalam-bentonit-untuk-densitas-kering.webp)
![Gambar 3. Difusi kobalt dalam Ca-bentonit, untuk densitas kering 800, 1000, 1200 dan 1400kg/m 31.0E-061.0E-051.0E-041.0E-030246810X2 (cm2)[Co2+]b (g/cm3)Da = 4,18 10-11 m2/sCa-8001.0E-061.0E-051.0E-041.0E-030246810X2 (cm2)[Co2+]b (g/cm3)Ca-1000Da = 5,12 10](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3317952.2367918/8.918.197.794.168.753/gambar-difusi-kobalt-dalam-bentonit-untuk-densitas-kering.webp)
