'1j
Prosiding Perlemuan dan Presenta1:i llmiahP3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999 Buku II 173
PENGARUH K]~CEP AT AN PENGADUKAN DAN KECEP AT AN PENAMBAHAN NH40H PADA PENGENDAPAN CAMPURAN Th-U NITRA T TEB~ADAP SIF AT -SIF AT FISIS SERBUK
ThO2-UaOs
Hidayati, Endang Su:iiantini, Nurwijayadi, Setyo Sulardi, Endang Nawangsih
P3TM-Batan, J/. Babarsari Kotak Pos 1008. Yogyakarta 55010
ABSTRAK
PENGARUH KECEP,~TAN PENGADUKAN DAN KECEPATAN PENAMBAHAN NH40H PADA PENGENDAP,AN CAMPURAN Th-U NITRAT TERHADAP SIFAT-SIFAT FISIS SERB UK ThOrU30s. MOX (=Mixed Oxide) ada/ah salah satu bahan yang digunakan untuk pembuatan elemen ba,f<ar Reaktor Suhu Tinggi. Pada penelitian ini pembuatan MOX dilakukan dengan metode penf7endapan bersama larutan campuran Th+U nitrat dengan amonia. Pengendapan bersama dilakukan sampai pada pH 7, suhu 600C, perbandingan Th : U = 95 : 5%, serla konsentrasi umpan campuran 25 gI/. Pengendapan dilakukan dengan variasi kecepatan penambahan NH40H 2, 5, 10, 15, 25 dan 35 mllmenit. Sedangkan kecepatan pengadukan divariasi Grari 250, 500, 750, 1000, 1500 dan 2000 tpm. Hasil endapan dikeringkan kemudian dikalsinasi pada suhu 8000C. Hasilnya diana/isis sitat fisisnya. Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa kE!Cepatan pengadukan maupun kecepatan penambahan NH40H sangat betpengaruh temadap sitar fisis serbuk ThOrU30s yang dihasilkan. Semakin tinggi kecepatan pengadukan, kerapatannya semakin besar, tUBS muka, jari-jari pori Terata serla volume pori totalnya semakin ke,:;-il. Sedangkan semakin besar kecepatan penambahan NH40H, kerapatannya juga semakin besar dan mencapai optimum pada kecepatan 15 cclmenit, kemudian sedikit menurun. Hasil yang baik diperoleh pada kecepatan penambahan NH40H 15 mIl menit dan kecepatGln pengadukan 1500 tpm. Pada kondisi ini diperoleh harga : rapat sejati (dengan CCI4) = 8,533 giml, rapat curah = 3,755 giml, rapat goyang = 4,662 glml, luas muka = 0,203 m2lg, total volumj~ pori = 0,231.10-3 mllg danjari-jari pori Terata 22,722 A.
ABSTRACT
THE INFLUENCE OF STIRRING SPEED AND RA TE OF AMMONIA ADDITION ON THE COPRECIPITA TION TO MIXED Th+U ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF ThOz-U30s POWDERS. MaX (=M,ixed Oxide) was one of materials used for fabrication of fuel for High Temperature Reactor. In this research, MaX fabrication was prepared using coprecipitation of mixed Th-U nitrates and ammonia solutions. Coprecipitation was cam'ed to reach pH = 7, temperature 6d'c, Th : U ratio = 95% : 5% and Th + U feeding mixed concentration was 25 gll. It was cam'ed under the variation of rate of amonia addition of 2, 5, 10, 15 25 and 35 mllminute, while the variation of stim'ng speed of 250, 500, 750, 1000, 1500 and 2000 rpm. The precipitated result were' dried, then calcined at 80d'C. The calcined products were analysed their physical properlie;)'. The higher stim'ng speed, its true density was greater than, but its surface area, pore radius and total pore volume were smalfe thanr. While the higher of the rate of ammonia addition its density was greater and reached optimum on the 15 cclmenit speed, then decreased. The best result was obtained at the rate of ammonia addition of 15 mllminute and stim'ng speed of 1500 rpm. In this condition, it was resulted: true density (with CCI41 = 8.531 glml, bulk density = 3.755 glml, apparent density = 4.662 giml, surface area = 0.203 m Ig, total pore volume = O. 2~t1. 10-3 mllg and mean size of pore = 22.722 A.
(batubara, minyak bumi daD gas alam) yang selama ini telah digunakan secara besar-besaran memberikan dampak pencemaran lingkungan serta menyebabkan krisis energi. Untuk mengantisipasi adanya krisis energi, temyata energi nuklir merupakan energi altematif yang paling memungkinkan mengingat cadangan uranium
PENDAHULUAN
S ejalan dengan perkembang,an ilmu pengetahuan clan teknologi, kebijakan pemerintah Indonesia yang telah diarahkan untuk membangun negara industri, memberikan dampak kebutuhan energi yang semakin meningkat. Pemanfaatan energi fosil
ISSN 0216-3128 Teknologi Proses
Prosiding Perlemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
174 Buku II
kondisi operasi pada setiap tahap pembuatannya, terutama pada tahap pengendapan.
Th nilrat + U nitr;ot Pengendapan bs-sarm (coprecipitation') NH..OH
J
Th(OH)..-ADU 4 ~4-"-'- 600.C ThOz-u.°a 4 ~~ Hz, SOD .C Serbuk ThOz-UOzGambar 1. Proses pembuatan serb uk campuran ThO2-UO2
Ada dua tahap dalarn pembentukan kristal (butiran), yaitu nukleasi (pembentukan inti) dan perturnbuhan kristal/butiran ("growth,,)(7). Nukleasi terjadi pacta tahap pengendapan, sedangkan pacta saat kalsinasi maupun reduksi hanya terjadi pertumbuhan kristal/butiran.
Faktor-faktor yang sangat berpengaruh pacta tahap pengendapan, yaitu pH, suhu, kecepatan pengadukan, konsentrasi umpan 111+0 nitrat, konsentrasi ~OH, kelebihan ~OH dsb. Dalarn penelitian ini dicari kondisi optimum pengendapan terhadap sifat-sifat fisis serbuk 11102-0308 yang dihasilkan. Variabel yang akan diteliti yaitu kecepatan penarnbahan ~OH dan kecepatan pengadukan. Variable tersebut besar pengaruhnya terhadap hasil endapan maupun serbuk 11102-002 yang dihasilkan.
TATA KERJA Bahan
Serbuk torium nitrat hasil ekstraksi (mumi nuklir), UNH. Merck, HNO3 pa., ~OH pa., gas nitrogen, air bebas mineral, kertas saring, medium untuk analisis larutan uranil nitrat dan torium nitrat (asam sulfat, asam fosfat, asam amido sulfonat, titan clarida, natrium asetat, etanol, monoklorasetat, xylenolange), larutan penitrasi uranium dan thorium
(kalium bikromat dan EDT A)
maupun Thorium sangat melimpah di Indonesia. Terutama Thorium yang harganya relatif murah daD merupakan hasil samping dari tambang timah di Bangka. Disamping itu, untuk menyongsong era globalisasi perlu efisiensi penggunaan bahan bakar fosil serta penyediaan energi altematif yang murah, agar mampu bersaing di pasar intemasional.
Sampai saat ini, uranium lebih banyak digunakan sebagai bahan dasar untuk pembuatan elemen bakar reaktor nuklir, terutama bentuk oksidanya. Untuk menghemat pemakaian uranium, ThO2 maupun oksida campuran (MOX = Mixed Oxide) (Th+U)O2 , merupakan pilihan yang paling tepat terutama sebagai elemen bakar pada reaktor suhu tinggi.
Pembuatan MOX bisa dilakukan dengan berbagai cara antara lain melalui metode sol-gel, proses pembuatan serbuk dengan pengendapan, pembuatan serbuk dengan metode pencampuran secara mekanik, dekomposisi langsung dari senyawa nitratnya, dsb.(2)
Untuk menyiapkan bahan-bahan keramik yang mempunyai kerapatan sinter yang tinggi pada pembuatan MOX, perlu dipersiapkan metode yang tepat serta kondisi operasi yang terkontrol dengan baik. Pembuatan MOX melalui pembuatan serbuk dengan pengendapan mempunyai kelebihan yaitu hasilnya lebih homogen. Ada dua metode pengendapan yang telah diuji untuk memperoleh serbuk maupun pelet campuran ThO2-UO2 kerapatan tinggi, yaitu penambahan larutan asam oksalat pada larutan nitratnya serta penambahan larutan amonia pada larutan nitratnya. Pengendapan dengan oksalat memberikan basil kerapatannya lebih tinggi, namun endapan yang dihasilk~1n tidak "reproducible", daD endapannya merupakan senyawa kompleks UxThI-X (CzO4)2 dengan hidratnya bisa 1, 2, 3 dsb (2). Disamping itu, pengendapan dengan oksalat perlu persiapan pembuatan larutan umpan yang hanya mengandung U (IV)(3). Sedangkan pengendapan dengan hidroksida, serbuk yang diperoleh homogen, metodenya lebih sederhana serta basil endapannya sudah pasti, yaitu merupakan senyawa Th(OH)4 + (N~)2U2O7' walaupun kerapatannya sedikit lebih rendah dari pada pengendapan dengan oksalat. Untuk meningkatkan kl~rapatan pada basil endapan dengan hidroksida bisa dilakukan dengan menambahkan kandungan uranium dalam campuran. (6).
Pada penelitian ini, untuk memperoleh serbuk ThO2-UO2, metode yang digunakan adalah dengan penambahan larutan amonia. Proses selanjutnya, seperti pada bagan di Gambar 1.
Sifat-sifat kimia maupun fisika pelet campuran ThO2-UO2 sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat serbuk yang dihasilkan. Adapun basil serbuk ThO2-UO2 yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh
Peralatan
Satu rangkaian alat pengendapan secara batch yang dilengkapi flowmeter, Peralatan gelas (gelas beker, piring, pipet, dsb.), Alat penyaring dari
Hidayati,dkk Teknologi Proses
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah
P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15.Juli 1999 Buku II 175
porselin, Tungku kalsinasi, pH meter, Termometer, Potensiometer, "Surface Area Analyser", alat pengukur Tarat curah, Tarat goyang dan Tarat sejati.
Carakelja
1. Dibuat larutan NH.OH del1gan konsentrasi IN 2. Dibuat larutan umpan carnpuran Thorium nitrat
+ uranil nitrat dengan perbandingan mol Th:U= 95% : 5% dalam larutan asam nitrat 0,2 N dengan konsentrasi 25 gil.
3. Larutan umpan yang telah disiapkan diendapkan dengan larutan NH.OH IN pada suhu 60°C dengan variasi kecepatan penambahan NH.OH : 2, 5, 10, 15, 25 daD 35 ml/ menit serta variasi kecepatan pengadukan : :250, 500, 750, 1000,
1500 daD 2000 rpm.
4. Hasil endapan masing-maiSing dicuci, disaring, dikeringkan kemudian dikalsinasi pada suhu 800°C.
5. Serbuk ThO2 + U3Os yang dihasilkan masing-masing dianalisis sifat-sifat fisisnya.
HASIL DAN PEMBAHA'.)AN
Pada penelitian ini dilakukan pengendapan larutan campuran Th+U nitrat dengan memvariasi kecepatan penambahan NlL1OH daD kecepatan pengadukan. Variabel tersebut sangat berpengaruh terhadap basil endapan YWrlg dihasilkan. Hila
kecepatan penambahan ~OH lambat,
terbentuknya larutan superjenuh akan lambat, reaksi nukleasi berjalan lebih sempurna, serta endapan yang terbentuk semakin ba!:us. Namun apabila terlalu lambat, waktu pengendapan yang diperlukan semakin banyak sehingga kurang efisien. Pada kecepatan pengadukan yang telah ditetapkan (500 rpm), kecepatan penambahan ~OH dicari yang optimum yaitu yang memberikan sifat-sifat fisis yang baik, antara lain kerapataIl yang tinggi, surface area yang sesuai dengan yang dipersyaratkan. Demikian juga untuk kecepatarl pengadukan, dicari kondisi yang optimum. Hila kl:cepatan pengadukan terlalu cepat, nukleasi kurang sempurna, endapan yang terbentuk akan semakin b;myak (butiran kecil), pertumbuhan butir tidak seragam. Hal ini disebabkan karena inti yan!~ terbentuk setelah nukleasi akan mengalami pertUlnbuhan.
Pengendapan bersama dilakukan sampai pada pH 7, mengingat pada pH tersebut senyawa ADU telah terbentuk secara sempurna, sedangkan senyawa Th(OH)4 terbentuk sempurna pada pH sekitar 6. Konsentrasi larutm umpan maupun larutan pengendap menggunakan kondisi yang telah optimum diperoleh pada penelitian sebelumnya yaitu konsentrasi campuran Th-f-U nitrat 25 g/l serta ~OH 0,1 N. Hasil endap:m berupa senyawa
Th(OH)4-ADU. Endapan dicuci dengan
menggunakan ~OH encer (1%). Pencucian tidak menggunakan ABM karena ABM mempunyai pH < 7. Endapan Th(0H)4 larut dalam sedikit asam
(dalam larutan yang mempunyai pH<7). Apabila endapan dicuci dengan ABM, pada saat pengeringan endapan akan mencair kembali. Endapan masing-masing dikeringkan pada suhu 50-60°C, kemudian
dikalsinasi menjadi senyawa Th02-U3O8.
Suhu kalsinasi endapan Th(0H)4-ADU ditetapkan 800°C, agar reaksi yang terjadi selama kalsinasi berjalan dengan sempuma. Berdasarkan penelitian sebelumnya, yaitu analisis dengan alat
Thermal Gravimetri Analyser (TGA),
dekomomposisi thermal endapan Th(OH)~DU terjadi secara bertahap daD mulai suhu 600°C senyawa Th(0H)4-ADU mulai sempuma berubah menjadi senyawa Th02-U3O8. Adapun tujuan kalsinasi yaitu untuk menghilangkan air yang terikat secara kimia (air kristal) maupun fisika (air yang menempel), merubah senyawa Th(0H)4-ADU menjadi senyawa oksida Thorium maupun uranium, serta meningkatkan kualitas endapannya. Semakin tinggi suhu kalsinasi, kenaikan harga kerapatannya semakin besar, serta menyebabkan penurunan harga luas mukanya (2). Pengukuran rapat curah daD rapat goyang basil endapan sebelum daD sesudah dikalsinasi ada pada tabell, sbb. :
Tabell. Hasil pengukuran rapat curah daD rapat goyang endapan Th(0H)4 sebelum daD sesudah dikalsinasi dengan variasi kece-patan penambahan ~OH.
Dari tabel 1 terlihat bahwa harga kerapatan endapan sesudah kalsinasi naik karena selama pemanasan terjadi pertumbuhan kristal, perubahan rasa dari amorf ke kristalin, serta penyusunan kembali kisi-kisi kristal/butiran menjadi kristal yang lebih sempurna. Aglomerasi kemungkinan juga bisa terjadi selama pemanasan, apabila terjadi kontak antar partikel.
Hasil endapan yang telah dikalsinasi dianalisis kerapatan, luas muka serta ukuran porinya. Dari variasi kecepatan penambahan ~OH daD kecepatan pengadukan, diperoleh basil yang disajikan dalam tabel 2 daD 3, serta gambar 2 dan3.
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Ju/i 1999
176 Buku II
Tabel 2. Sifat fisis ThO2-U3OS hasil kalsinasi en-dapan Th(OH)4-ADU yang diperoleh pada variasi kecepatan penambahan NH4OH.
apabila kecepatan penambahannya dinaikkan lagi, dengan kecepatan pengadukan yang sarna, maka endapan yang terbentuk menjadi kurang sempurna. Hal ini bisa juga dilihat dari data jari-jari pori rerata maupun volume pori total yang relatif kecil (tabel 2 daD garnbar 2) pada kecepatan penarnbahan N~OH 15 mI/menit daD semakin naik (endapan semakin porous) bila kecepatan penarnbahnnya diperbesar. Kecepatan penarnbahan ~OH juga berpengaruh pada kekasaran endapan yang diperoleh serta pada distribusi ukuran kristal primer dari endapannya. Dalarn penelitian ini distribusi ukuran partikelnya tidak ditentukan karena alat Sedigrafnya rusak. Tabel3. Sifat fisis ThO2-U3OS basil kalsinasi
en-dapan Th(OH)4-ADU yang diperoleh pada berbagai variasi kecepatan pengadukan
2 5 10 15 25
Kec. Penambahan NH4OH, mVmen
luas muka & Vol. pori 3 35 jari-jaripori 40
&
2,5'-5-'
-~ 30 2 1,5 20,I{\\
~~ 0 ,-./ ~ -" --0,5 0 0 Ka ,85 7,99 8,69 8,72 8,53 9,177 Ra ,74 3,71 3,71 3,62 3,75 4,382 Ra ,89 4,84 4,49 4,42 4,66 5,383 Lu ,54 0,37 0,51 0,36 0,20 0,138 Ja 6,43 51,40 39,93 51,22 22,72 0,044 Vo ,97 0,95 1,03 0,92 0,23 0,000308 Kon ISI penge apan seperti tabel 2.Sedangkan dari tabel3 clan gambar 3, dapat dilihat bahwa pada variasi kecepatan pengadukan, semakin tinggi kecepatan pengadukan, rapat sejatinya semakin besar. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi kecepatan (intensitas) pengadukan, homogenitas larutan lewat jenuh atau supersatura-tion semakin cepat terjadi, kecepatan nukleasi meningkat, jumlah partikel yang terbentuk semakin meningkat, rata-rata ukuran partikel menurun, distribusi ukuran partikel semakin tajam, namun dalam beberapa kasus kecepatan pertumbuhan butir juga meningkat(8). Hal ini dapat dilihat juga pada
hasil pengukuran luas muka yang semakin menurun, jari-jari pori rerata semakin kecil serta volume pori totalnya yang semakin kecil juga. Dari variasi kecepatan pengadukan, dipilih kondisi yang terbaik yaitu pada kecepatan 1500 rpm. Pada kondisi terse-but, harga kerapatannya tertinggi, luas mukanya terkecil, jari-jari pori reratanya juga terkecil serta volume pori totalnya terkecil juga.
Secara umum, kondisi pengendapan yang telah ditetapkan maupun yang diperoleh dari hasil optimasi percobaan, memberikan harga yang relatif bagus, yaitu harga luas muka yang < 6 m2/g serta kerapatan yang mempunyai harga 8,720 giml. Harga luas muka serbuk campuran oksida yang < 6 m2/g menghasilkan harga rapat sinter yan~ dapat diterima. Bila harga luas mukanya> 15 m /g, akan memberikan efek dentrimental pada pembuatan peletnya (2). Sedangkan kerapatan teoritis ThO2 clan UO2 adalah 10,00 clan 10,96 giml. Untuk
0 5 10 15 20 25 30 35 Kec. ~IH40H, mVrnen
Gambar 2. Pengaruh kecepatan penambahan
NH4OH ter)1adap sf/at fisis serb uk ThOr
UjOa
Dari tabel 2 dan gambar 2 dapat dilihat bahwa pada kondisi percobaan, semakin besar
kecepatan penambahan ~OH, kerapatannya
semakin besar juga kemudian mencapai optimum pada kecepatan 15 mI/menit, kemudian sedikit menurun. Hal ini disebabkan karena semakin cepat penambahan ~OH, reaksi yang terjadi akan semakin cepat juga. Namun karena nukleasi mempunyai titik kritik, setelah mencapai optimum
Hidayati,dklc Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
..Iuas InIka, m2/g -9-jari pori, A
Prosiding Pertemuan dan Presenta.!:i IImiah
P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15 Juti 1999 Buku II 177
memperoleh serbuk campuran Th02 -002, endapan basil kalsinasi direduksi pa,da suhu 800°C dalam suasana gas hidrogen, sehingga basil kalsinasi yang kami peroleh masih bisa diharapkan mempunyai kerapatan yang lebih tinggi lagi.
CCI4) = 8,531 glml, rapat curah = 3,755 glml, rapat goyang = 4,662 glml, luas muka = 0,203 m2/g, total volume pori = 0,231.10.3mVg dan jari-jari pori rerata 22,722 A. Kerapatan, giro! 10 8 6 4 2 0 250 500 750 1000 Kec. Pengadukan, rpm 1500 2000 DAFTAR PUSTAKA :
I. BELLE,J., Uranium diobida, Properties and Nuclear Applications, United State Atomic Energy Comission, Washington D.C., (1961) 2. BELLE, "Thorium Dioxide, Properties and
Nuclear Applications, US DOE ASNE, Washington, (1984).
3. BILINSKI,H., FUREDI,H., and TEZAK,B., Croatia Chemica Acta, 35, 19-30, (1963) 4. COGLIATI, G., et all., Preparation of
Ceramic-Grade Thorium-Uranium Oxide, Centro SUldi Nucleari Della Casaccia, Rome, Italy, 1963.
5. CUTHBERT, F.L.; Thorium Production
Technology, Addison-Wesley Publishing Company, USA, (1958)
6. KANNO, MA Y A YOSHI; et all, Journal of Nuclear Science and Technology, 19 (II), 956-958, Nov. (1982).
7. RYAN, JACK,L., and DHANPAT RAI, Inorg. Chem. ,26,4140-4142, (1987)
8. SOHNEL, OTAKAR & GARSIDE, JOHN, Precipitation, Basic Principles and Industrial Application, Butterworth- Heineman Ltd, Jardan Hill, Oxford, (1992)
TANYAJAWAB
Menik Rachmawati
» Berapa batas minimal (bawah) clan maksimal (atas) dari alat pengukur pori clan butir/luas muka ?
Hidayati
~ Alat yang digunakan untuk mengukur luas muka, jari-jari pori rerata dan volume pori total adalah Surface Area Analyzer (SAA) Nova -1000. Alat ini mempunyai batas untuk pengukuran luas muka dari 0,01 sid 1000 m2lg, sedangkan untuk pengukuran pori tidak disebutkan batasannya.
Sugondo
» Mohon dijelaskan mekanisme korelasi hubungan
antara kecepatan pengadukan clan kerapatan
padatan.
KE S IMP UlAN
Pada proses pengendapan bersama campuran Th+O nitrat dengal1l ~OH, kecepatan pengadukan maupun kecepatan penambahan N~OH sang at berpengaruh terhadap sifat fisis hasil serbuk Th02-O308 yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan penambahan ~OH, kerapatannya akan semakin besar, yang diikuti dengan luas muka, jari pori serta volume pori totalnya semakin kecil dan mencapai optimum pada kecepataIi penambahan
N~OH 15 cc/menit, kemudian menurun.
Sedangkan semakin besar kec:epatan pengadukan, kerapatannya semakin besar, yang diikuti dengan luas muka, jari pori rerata serta vol. pori totalnya semakin kecil.
Dari variasi kecepatan penambahan ~OH serta kecepatan pengadukan, diperoleh hasil yang baik pada kecepatan penambahan ~OH 15 mVmenitdan kecepatan pengadukan1500 rpm. Pad a kondisi ini diperoleh harga : rap at sejati (dengan
Teknologi Proses ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
178 Buku II
serlo kecepatan pertumbuhan butir. Variabe/-variabe/ yang dipengaruhi o/eh kecepatan pengadukan tersebut sangat menentukan harga besaran sifat fisis dari endapan yang dihasi/kan, termasuk harga kerapatannya.
Hidayati
-{>- Mekanisme hubungan antara kecepatan pengadukan dengan kerapatan padatan : Kecepatan pengadukan sangat berpengaruh
terhadap homogenitas /arutan, kecepatan terjadinya supersaturasi, kecepatan pembentukan inti (nuk/easi), jum/ah partike/ yang terbentuk; distribusi ukuran partike/
Hidayati,dkk
