PEMISAHAN ZIRKONIUM-HAFNIUM DENGAN KOLOM SILlKA GEL

226 ISSN 0216 - 3128 _{Sunardjo, tlkk.}

PEMISAHAN

ZIRKONIUM-HAFNIUM

DENGAN

KOLOM

SILlKA GEL

Sunardjo, Budi Sulistyo, Pristi Hartati

Pusat Teknologi Abelerator dan Proses Bahan - BA TAN

ABSTRAK

PEMISAHAN ZIRKONIUM-HAFNIUM DENGAN KOLOM SILIKA GEL Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kondisi optimum dari ukuran kolom dan jumlah silika gel pada pemisahan zirkonium -hafnium dengan kolom silika gel. Penelitian ini menggunakan proses penyerapan dengan kolom silika gel yang terbuat dari gelas dan bahan isian silika gel. Parameter dalam penelitian ini adalah diameter kolom sitika danjumlah silika gel. Caranya mula-mula menyiapkan alat. kemudian menimbang silika gel dengan berat tertentu dimasukkan kedalam kolom penyerapan. Menimbang ZrOl dan HfCI4 dengan berat tertentu dimasukkan kedalam gelas erlenmeyer. Selanjutnya larutan Zr02 dan HfCI4 dimasukkan kedalam kolom penyerapan. Setelah waktu tertentu aliran dihentikan dan hasit penyerapan dianalisis dengan pengaktifan netron. Percobaan divariasi dengan parameter diameter kolom dan jumlah silika gel. Diameter kolom divariasi sebagai berikut: 2.00 cm. 2.50 cm: 3.00 em: 3.50 cm dan 4.00 cm. lumlah silika gel divariasi sebagai berikut: 200 gram; 300 gram; 400 gram; 500 gram dan 600 gram. Dari percobaan yang telah ditakukan dapat diambit kesimpulan sebagai berikut: diameter kolom yang optimum pada 3.00 cm dan jumlah silika gel yang optimum pada 500 gram dengan hasil penyerapan Hf sebesar 3,774'/gramll atau

efisiensi penyerapan 84.36%.

ABSTRACT

THE SEPARATION OF ZIRCONIUM-HAFNIUM WITH SILICA GEL COLUMN. The purpose of this investigation was to know the optimum condition of the column diameter and weight of silica at the separation of Zirconium-hafnium with silica gel. In this investigation with the absorption process by silica gel column and the equipment provided by column of absorption and silica filling material. The investigation parameters in this experiment were the weight of silica and column diameter. The experiment was performed firstly seting aparatus and weighed the silica gel and put in the absorber column. Weighed the Zr02 and 11jC14

and put in the erlenmeyer. The solution of the Zr02 and HfCI4Put in the column absorpsion. If the exetle time the rate of solution was stoped and the yield of absorption will be analyzed with neutron activation. The experiment variated by parameters weight of silica and column diameter. Column diameter variated with: 2.00 cm, 2.50 em; 3.00 cm; 3.50 cm and 4.00 cm. The weight of silica variated with 200 grams; 300 grams; 400 grams; 500 grams dan 600 grams. The result of this investigation could be concluded that the optimum of the column diameter was 3.00 ems and the weight of silica gel optimum 500 gram with absorption of Hf 3.7744 gramsll or the absorption efficiency 84.36 %.

PENDAHULUAN

Proses

kolom silika gel merupakanpemisahan zirkonium-hafniumsalah satu prosesdengan yang dilakukan dalam proses pengolahan pasir zirkon menjadi zirkon logam(I). Proses pemisahan zirkonium-hafnium dengan kolom silika gel ini

merupakan pengembangan proses pemisahan

zirkonium-hafnium untuk mendapatkan zirkonium be bas hafnium. Proses pemisahan

zirkonium-hafnium dengan kolom silika belum banyak

dikembangkan karena sebagian besar proses

pemisahan zirkonium-hafnium dengan

menggunakan proses ekstraksi. Demikian juga di Pustek Akselerator SA TAN Yogyakarta proses ini

belum banyak kembangkan. Pemisahan

zirkonium-hafnium dapat melalui beberapa cara antara lain(l):

1. Pengendapan bertingkat 2. Distilasi bertingkat 3. Kristalisasi bertingkat 4. Dekhlorinasi fase uap 5. Reduksi parsiaJ 6. Ekstraksi bertingkat

7. Ion Exchange

8. Adsorpsi

Karena pengadaan silika gel relatif lebih mudah maka akan dikembangkan pemisahan

zirkonium-hafnium dengan kolom silika gel. Proses

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

Sunardjo, dkk. ISSN 0216-3128

-

227

pemisahan zirkonium-hafnium dengan kolom

silika gel dapat dilakukan berdasarkan proses adsorpsi yang terjadi antara silika gel dengan senyawa zirkon maupun hafnium(2). Sehingga dcngan adanya pcrbcdaan daya serap antara silika gel terhadap zirkon maupun silika gel terhadap hafnium dapat dipakai sebagai dasar dalam pemisahan ini. Tetapi karena perbedaan ini relatif sangan kecil, maka untuk pengembangan lebih lanjut memerlukan waktu yang relatif lama. Proses

adsorpsi biasanya digunakan dalam proses

penyerapan senyawa yang mengganggu dalam

proses analisis maupun proses pengolahan

limbah (3).

Bahan padatan yang digunakan pada proses adsorpsi biasanya mempunyai luas permukaan besar, seperti gugus siloksan (Si-G-Si), silanol (-SiGH) dan Al(GH). Bahan silika gel merupakan salah satu padatan organik yang dapat digunakan untuk keperluan adsorpsi karena memiliki gugus silanol, dan siloksan. Disamping itu

senyawa-senyawa anorganik yang mempunyai gugus

fungsional yang dapat berikatan dengan permukaan

padatan anorganik serta mampu menarik ion

logam dengan mekanisme ikatan tertentu. Untuk mempertinggi daya penyerapan silika gel dapat dimodifikasi dengan menambahkan

senyawa yang mengandung gugus epoksi yang

dapat mengikat gugus silanol pada silika gel sehingga diperoleh ikatan yang lebih stabil. Sisi ikatan ini kemudian direaksikan lagi dengan gugus -NH yang ada pada ligan organik dengan luas permukaan yang lebih besar dan stabil. Senyawa

3-merkapto 1,2,4, triasol (TRZ-8H) dapat

digunakan untuk bahan pembentuk penyerapan

tersebut. Metode lain yang digunakan pada

peningkatan daya serap adalah dengan pemanasan. Dengan rasio gugus silanol dan siloksan. Bahan-bahan yang dapat digunakan untuk proses adsorpsi antara lain: Fullers Earths, Actived Clays, Bauxite,

Alumina, Bone Char, Decolorizing Carbons, Gas Adsorben Carbon, Synthetic Polymer Adsorbens dan Silica gel. Dalam prosesadsorpsi biasanya mengiktui persamaan Freunlich sebagai berikut(4) .

c* =k[(v(co-c*))n

(I)

dengan, k = konstan n =konstante

v = volume solute/berat adsorben Co

=

konstante

C·

=

konsentrasi solute pada saat kesetimbangan Disamping itu juga mengikuti persamaan sebagai berikut:

(2)

Pada keadaan setimbang

y* =mXn

(YI

)l/n

XI=---

_m

Pad a waktu mula-mula Xo = 0 Sehingga persamaan menjadi:

Ss_

YO-YI

Ls - (YI

/m)l/n

Untuk operasi lebih dari satu tingkat maka

Ls(YO -Yd=Ssl

(Xl -XO)

LS(YI - Y2)=Ss2

(X2 -XO)

Untuk operasi dengan aliran berlawanan arah maka:

Ls(YO - YNP)=SsXI

-XNP+d

(3) Atau

YO

(yl)l/n

(YI -1)

--1=---Y2

Y2

Y2

Macam-macam adsorpsi

Adsorpsi secara fisika (Physical Adsorption) Jenis adsorpsi ini hampir sarna dengan proses kondensasi. Daya tarik cairan terhadap permukaan padatan relatif lemah dan terjadi panas yang menyelimuti selama terjadi proses adsorpsi yang besamya sarna dengan panas kondensasi yaitu sebesar 0,5 sampai 5 kkal/gmol(5). Kesetimbangan antara permukaan padatan dan molekul-molekul gas umumnya cepat dicapai dan mudah bolak-balik. Karena energi yang diperlukan cukup kecil Energi aktivasi untuk adsorpsi fisika umumnya tidak lebih dari I kkal/gmol. Ini menunjukkan bahwa tenaga yang melingkupi pada proses adsorpsi ini adalah lemah. Adsorpsi fisika tidak dapat menjelaskan aktivitas katalis dari padatan untuk reaksi antara stabilitas kesetimbangan relatif molekul-molekul, sebab tidak ada kemungkinan yang tereduksi yang berdasarkan energi aktivasi. Reaksi-reaksi dari atom-atom dan radikal bebas pad a permukaan kadang-kadang melingkupi energi aktivasi yang kecil dalam hal ini adsorpsi fisik menggunakan hukum tertentu. Juga adsorpsi fisika melayani terhadap konsentrasi dari molekul-molekul pad a permukaan. Hal ini sangat penting dalam hal perlindungan reaksi terhadap reaktan dari bahan penyerap secara kimia dan pada reaktan lainnya yang dapat disebut kelompok sebagai penyerap fisika.

Dalam kedua hal tersebut dalam suatu sistem reaksi katalis akan mengikuti reaktan secara

Proslding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

228 _{ISSN 0216 - 3128}

Sunardjo, dkk.

penyerapan fisika. Katafisator dapat dianggap sebagai penyerap secara fisika, jadi semua padatan akan menyerap secara fisika terhadap gas-gas pada kondisi yang memungkinkan walaupun padatan bukan termasuk jenis katalis. Pada penyerapan secara fisika pengurangan kecepatan seperti suhu adalah meningkat dan umumnya sangat kecil diatas suhu kritis dari komponen penyerap. Hal ini selanjutnya akan membuktikan bahwa penyerapan

secara fisika tidak responsible (begitu

berpengaruh) untuk katalis. Adsorpsi fisika tidak

tergantung dari bentuk ketidak teraturan

permukaan, tetapi tergantung pad a luas permukaan tertentu. Walaupun demikian luas dari penyerapan

tidak dibatasi oleh lapisan suatu molekul

permukaan padatan, khususnya pada daerah yang dekat dengan suhu kondensasi. Seperti pada lapisan molekul-molekul yang terbentuk pad a permukaan padatan, maka proses kondensasi akan serriakin cepat. Penyerapan fisika mempelajari juga tentang sifat-sifat fisika nonkatalisator padat. Sehingga kondisi dari permukaan dan distributor yang porous dapat diketahui dari ukuran-ukuran adsorpsi fisika.

Penyerapan secara kimia (Chemisorption)

Tipe penyerapan ini sangat spesifik dan dilingkupi oleh kondisi yang lebih kuat dari pada penyerapan

fisika. Menurut Langmuir molekul-molekul

bergerak ke ujung permukaan oleh adanya valensi gaya dari beberapajenis seperti yang terdapat pada atom-atom dalam moleku\.

Menurut Taylor dengan adanya penyerapan kimia (chemisorption) ini merupakan kombinasi dari molekul gas dengan permukaan padatan. Karena dengan adanya panas yang tinggi maka adsorpsi tenaga yang dimiliki oleh penyerapan kimia dari molekul-molekul dapat dibedakan

secara mudah. Sejak energi aktivasi yang

dipergunakan untuk reaksi melingkupi

penyerapan kimia, maka jumlah energi molekul-molekul dapat diperkirakan lebih rendah dari yang diperlukan untuk melingkupi molekul-molekul saja. Ini sebagai dasar bahwa reaksi kimia merupakan penjelasan terjadinya reaksi kimia pad a permukaan suatu padatan. Pada penyerapan kimia terjadi pengaktifan penyerapan yang berarti kecepatannya bervariasi dengan suhu yang ditunjukkan pada tenaga aktivasi yang terbatas dalam persamaan Ahrenius.

Pada pemisahan antara Zr dan Hf

berdasarkan data-data sebagai berikut: titik leleh ZrCI4

=

437°C dan titik leleh HfCI4

=

434 °C,tekanan uap ZrCI4 pada temperatur 681°C

=

14,20 mm Hg dan tekanan uap HfCI4 pad a

temperatur 689°C = 24,20 mm Hg. kelarutan

zrOcb dalam HCI

=

0,33 gramol/liter dan

kelarutan HtDCI2 dalam HCI = 0,15

gramol/liter,energi bebas Zr pada temperatur 500°C = -39,740 kalori dan energi bebas Hf pad a

suhu 500° C

=

42,780 kalori. maka dapat

dimungkinkan untuk terjadinya pemisahan antara

Zr dan Hf dengan proses penyerapan dengan

kolom silica gel dapat dilaksanakan.

TAT A KERJA Bahan dan Peralatan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: zr02, HfCI4, Silika Gel dan Etano\. Alat yang digunakan antara lain: satu unit kolom silika gel, timbangan elektronik, ayakan dan alat analisis APN.

Cara Kerja

• Merangkai alat sesuai dengan rencana.

• Menimbang silika gel dengan berat dan ukuran tertentu dimasukkan dalam kolom penyerapan

• Menimbang zr02 dan HfCI4 dengan berat

tertentu dimasukkan dalam Erlenmeyer

• Melarutkan Zr02 dan HfCI4 dengan alkohol dan HN03

• Memasukkan larutan Zr02 kedalam tempat

pengumpan.

• Membuka kran pemasukan umpan dengan

kecepatan tertentu.

• Mengamati dan menapung hasil penyerapan. • Menganalisis hasil penyerapan dengan APN.

Menghitung kadar Zr dan Hf dalam larutan hasil penyerapan.

• Melakukan percobaan seperti diatas dcngan variasi sebagai berikut: diameter 2,00 cm 2,50 cm; 3,00 cmdan 3,50 cm.

• Percobaan dengan parameter jumlah silica: 200 gram; 300 gram; 400 gram; 500 gramdan 600 gram.

HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Parameter diameter kolom silika gel

Kadar Hf 4,00 gram/I, suhu 28 ° C, Volume umpan 500 ml, kecep umpan 38 cc/men, ukuran butir silica 3,0 mm, waktu 30 menit.

Dari tabel 1 terlihat bahwa pada

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

mula-mula naik kemudian turun. Pada ukuran

diameter kolom 2,00 em memberikan hasil

penyerapan Hf sebesar 2,8326 gram/I. Kemudian pada ukuran diameter kolom 3,00 em memberikan hasil penyerapan Hf sebesar 3,7744 gram/I hal ini disebabkan karena pada ukuran diameter kolom tersebut masih mengalami peningkatan terjadinya penyerapan Hf dengan silika gel. Karena adanya penambahan luas permukaan dad silica gel yang sangat berpengaruh dalam penyerapan Hf. Pada diameter 2,00 - 3,00 masih ada keseimbangan an tara luas muka silika gel yang ada dalam kolom dengan kecepatan alir eairan sebesar 138 ee /men sehingga eairan yang ada dalam kolom dapat terdistribusi merata kesegala permukaan bahan isian silika gel sehingga penyerapan dapat lebih sempurna. Tetapi setelah ukuran diameter kolom mencapai 3,50 em hasil penyerapan mengalami penurunan sehingga menjadi sebesar 2,9629 gram/I. Hal ini disebabkan karena pad a ukuan

diameter kolom 3,50 em banyak eairan yang

langsung mengalir kebawah karena keeepatan alir tidak seimbang dengan luas muka silika gel, atau dengan jumlah massa tetap dan diameter tambah besar maka panjang kolom efektif semakin kedl sehingga banyak Hf yang tidak dapat terserap lagi oleh silika gel seeara keseluruhan dan hasil penyerapan tidak bertambah lagi. Jadi kondisi yang optimum dieapai pada ukuran diameter kolom 3,00 em dengan memberikan hasil penyerapan Hf sebesar 3,7744 gram/I atau 84,36 %.

disebabkan karena pad a jumlah silika tersebut

masih mengalami peningkatan terjadinya

penyerapan Hf dengan silika gel. Hal ini juga dipengaruhi oleh penambahan silica yang semakin banyak maka hasil penyerapan Hf juga semakin banyak pula. Jadi jumlah silika sebesar 500 gram merupakan kondisi penyerapan yang optimum karena setelah jumlah silica meneapai 600 gram

maka penyerapan Hf mengalami penurunan

menjadi 3,0657 gram/I. Hal ini disebabkan karena pada jumlah silika 600 gram sudah mulai terjadi kejenuhan sehingga ban yak Hf yang tidak dapat terserap lagi oleh silika gel sehingga hasil penyerapan sudah mulai menurun. Jadi kondisi yang optimum dieapai pada jumlah silika 500 gram dengan memberikan hasil penyerapan Hf sebesar 3,7744 gram/I atau efisiensi penyerapan sebesar 84,36 %.

Tabel2. Hubungan antara jumlah silika gel

dengan kadar Hf dan efisiensi

penyerapan

JumlahElisicnsiKadar 1\fHasil No

silika geldalam larutanPenyerapanPenyerapan (gram)

hasil (g/I)Hf (gram/I)Hf (%) 1 200 \,23422,765869,14 2 300 1.13242,867671,69 3 400 1,09542,904672,61 4 500 0,625684,363,7744 5 600 0.934376,663,0657

DiameterEfisiensi_{Kadar Hf}Hasil

kolom No ( cm) dalam larutan penyerapan Pcnycrapan hasil (gll) Hf (gram/I)Hf(%)

I

2,00 1,16742,832670,81 2 2,50 \,145771,352,8543 3 3,00 0,625684,363,7744 4 3,50 1,03712,962974,07

2. Parameter jumlah silika gel

Diameter kolom 3,00 em; volume

umpan 500 ml; suhu: 28°C, waktu 30 menit,

kecepatan alir umpan 138 ee/men, diameter kolom 3,00 em, kadar Hf 4,00 gram/I, ukuran butir silica 3,Omm.

Dad tabel 2 terlihat bahwa padajumlah silika 200 gram sampai dengan 600 gram memberikan hasil grafik penyerapan yang mula-mula naik kemudian turun. Pada jumlah silika 200 gram membedkan hasil penyerapan sebesar 2,7658 gram/I Kemudian pad a ukuran diameter kolom 500 em memberikan hasil penyerapan Hf sebesar 3,7744 gram/I hal ini Tabel I.Hubungan antara

dengan kadar Hf

penyerapan

diameter kolom

dan efisiensi

KESIMPULAN

Dari pereobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa penelitian dengan judul pemisahan zirkonium-hafnium dengan kolom silika gel dapat dilakukan dengan baik. Parameter diameter kolom dan jumlah silika gel berpengaruh dalam proses penyerapan ini. Untuk Parameter diameter kolom, optimum pada ukuran diameter

kolom 3,00 em dengan memberikan hasil

penyerapan Hf sebesar 0,6256 gram/I atau

efisiensi penyerapan sebesar 84,36 %. Sedangkan untuk parameter jumlah silika optimum pada jumlah silika 500 gram dengan memberikan hasil penyerapan Hf sebesar 3,7744 gram/I efisiensi penyerapan sebesar 84,36 %.

UCAP AN TERIMA

KASIH

Dengan selesainya penelitian ini maka penulis mengueapkan banyak terima kasih kepada

semua pihak terutama Sdr. Paryadi Amd dan

Kelompok analilisis Sdr. Mulyono dan Iswantoro Amd. yang telah banyak memberikan bantuan sehingga selesainya penelitian ini.

Prosiding PPI • PDlPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

230 ISSN 0216 - 3128 _{Sunardjo, dkk.}

Sunardjo

- Karena kolom silika gel masih memenuhi syarat untuk pemisahan. Disamping itu pengadaan kolom silika gellebih mudah diperoleh.

Triyono

- Berapa suhu maximal yang diperlukan pad a proses pemisahan Zirconium - Hafnium dengan kolom Silika Gel?

Sunardjo

- Suhu maksimal yang diperlukan pada proses pemisahan ini masih dalam penelitian lehih lan)ut. Un/uk saat ini perlu dilakukan pada suhu kamar.

DAFT AR PUST AKA

I. BUNJAMIN LUSTMAN AND FRANK

KERZE, JR." The Meta]urgy of zirconium". First Edition, Mic Graw Hill Book Company, New York. ]955.

2. MILLER GL ." Metalurgy of the rarer metals". , Butterworts Scientific Publication, London, 1957.

3. FAHMIATI . DKK. " Kajian Kinetika

Adsorpsi Cd (II) dan Mg (II) pada Silika Gel" AI cherny vol3 No 2 September 200422 - 28. UNS Surakarta.

4. SMITH M. " Chemica] Engineering Kinetic"

International Student Edition, Second

Edition, Me. Graw Hill Kogakusha Ltd,

Tokyo, 1970.

5. TREYBAL R.E" Mass Transfer Operation" International Student Edition, Tird Edition, Me. Graw Hill Kogakusha Ltd, Tokyo, 1970

A.N. Bintarti

- Apakah alasan pemilihan

menggunakan kolom silika gel?

pemisahan

TANYAJAWAB

Indra Suryawan

- Efisiensi baru dicapai 84,3 % dengan diameter kolom 3 em, usaha untuk menaikkan efisiensi dilakukan dengan parameter lain apa mungkin ?

Sunardjo

- Mungkin masih dapat ditingkatkan efisiensinya karena pengaktifan silika gel dengan berbagai senyawa be/urn dilakukan.

R. Subagiono

- Judul adalah pemisahan Zr - Hf, da]am hasil penelitian ternyata hanya ditampilkan adsorbsi

Hf-nya saja, bagaimana cara mengetahui

pemisahan Zr terhadap Hf ?

- Biasanya untuk melakukan pemisahan dengan adsorbent digunakan bahan kimia yang bersifat sebagai eluen, apakah ada eluen yang bisa dipakai disini ?

Sunardjo

- Pemisahan terhadap Zr sebenarnya sudah dilakukan tetapi belum dibahas secara mendalam hanya ditampilkan datanya saja yaitu penurunan kadar Zr dari 0,441 grll menjadi 0,365 grll.

- Eluen yang digunakan adalah etanol.

Proslding PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006