PEMADATAN SLUDGE Ca
3(PO
4)
2HASIL PENGOLAHAN
KIMIA LIMBAH
CAIR YANG TERKONTAMINASI
URANIUM MENGGUNAKAN LEMPUNG
Isman MT dan Sukosrono
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN, Yogyakarta.
ABSTRAK
PEMADATAN SLUDGE Ca3(PO4)2 HASIL PENGOLAHAN KIMIA LIMBAH CAIR YANG
TERKONTAMINASI URANIUM MENGGUNAKAN LEMPUNG. Telah dilakukan penelitian pemadatan
sludge Ca3(PO4)2 hasil pengolahan secara kimia limbah radioaktif cair yang mengandung kontaminan
Uranium menggunakan bahan lempung. Tujuan penelitian adalah untuk memadatkan sludge Ca3(PO4)2 hasil
pengolahan secara kimia limbah radioaktif cair yang mengandung kontaminan Uranium menggunakan
bahan dasar lempung dengan penambahan aditif Pb3O4 + TSG Frit sehingga mobilitas Uranium ke
lingkungan dapat dihambat. Peneletian dilakukan dengan cara mencampur sludge Ca3(PO4)2 dengan
lempung dan air serta aditif Pb3O4 + TSG Frit, kemudian dipanaskan sampai terbentuk monolit keramik.
Variabel yang diteliti adalah jumlah sludge Ca3(PO4)2, jumlah aditif Pb3O4 + TSG Frit yang ditambahkan
dan suhu pemanasan. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa jumlah sludge, dan aditif yang ditambahkan serta suhu pemanasan berpengaruh terhadap karakteristik monolit keramik yang dihasilkan. Kondisi optimal
pemadatan terjadi pada kondisi jumlah sludge Ca3(PO4)2 sebanyak 15 %, jumlah aditif Pb3O4 + TSG Frit
sebanyak antara 10% - 15 % dan suhu pemanasan sebesar 1100 oC. Pada kondisi ini diperoleh kemampuan
serap monolit keramik terhadap air sebesar 2,753 `%, kekuatan tekan monolit sebesar 4,427 N/mm2 dan laju
pelindian sebesar 0,271x 10-4 gram cm-2 hari-1 pada hari ke-21. Karakteristik monolit ini adalah memenuhi
syarat sebagai media pengungkung limbah radioaktif sehingga bisa menjamin keselamatan lingkungan.
ABSTRACT
THE IMMOBILIZATION SLUDGE Ca3(PO4)2 WHICH WAS RESULTED FROM THE CHEMICAL
TREATMENT OF THE URANIUM CONTAMINATED RADIOACTIVE WASTES USED CLAY. The
investigation of the immobilization sludge Ca3(PO4)2 which was resulted from the chemical treatment of the
Uranium contaminated radioactive wastes used clay has been done. The aim of this research is to
immobilization of sludge Ca3(PO4)2 which was contained Uranium used clay with addtive Pb3O4 + TSG Frit
so the mobilization Uranium to environmental can be retarded. The process was done by mixing sludge
Ca3(PO4)2 with clay, additive Pb3O4 + TSG Frit and water, then heated it up to form the ceramic monolith.
The investigated variables were concentration of the sludge Ca3(PO4)2 and concentration of additive Pb3O4
+ TSG Frit and the heating temperature. The result showed that the monolith ceramic was effected by the concentration of sludge, concentration of additive that can be added and the heating temperature. The
optimum condition of the immobilization take place on 15 % of the sludge Ca3(PO4)2 concentration, 15 % of
the additive Pb3O4 + TSG Frit concentration, and 1100 oC of the heating temperature. At this condition were
the compressive strenght is 4,427 N/mm2 , and the sorption to water is 2,753 %, the leaching rate of
Uranium is 0,271x 10-4 gram.cm-2.day-1 at the 21st days. These monolith characteristic are good as the
immobilized radioactive wastes so the the environmental safety can be guaranted.
PENDAHULUAN
engolahan limbah radioaktif cair aktivitas rendah yang mengandung kontaminan Uranium dapat dilakukan dengan pengolahan secara kimia. Pengolahan secara kimia ini bertujuan untuk mengkonsentrasikan atau memekatkan radionuklida Uranium menjadi endapan yang tidak larut dan dalam volume yang kecil sehingga dapat dipisahkan. Uranium sebagai nuklida pemancar α dalam limbah cair dapat konsentrasikan melalui proses koagulasi dengan
posphat. Reaksi kimia yang terjadi pada proses koagulasi dengan senyawa fospat :(1,2)
4 2 2 4 3 4 3 4 2 3 3CaSO + Na PO →Ca(PO ) ↓+ Na SO (1)
Pada proses pengolahan kimia dengan koagulasi senyawa fospat dapat menurunkan aktivitas pemancar α sampai dengan 99 %. Senyawa fospat yang digunakan dapat berupa NaH2PO4, Na2HPO4, Na3PO4. (1)
Sludge Ca3(PO4)2 hasil proses pengolahan kimia limbah radioaktif secara ini selanjutnya dilakukan pemadatan untuk mengungkung Uranium agar tidak mencemari lingkungan pada saat penyimpanan atau pembuangan akhir. Sebagai bahan dasar untuk untuk proses pemadatan Sludge hasil pengolahan kimia limbah radioaktif cair dapat digunakan semen, bitumen, bahan penyusun gelas/keramik dan lain-lain. Keramik sebagai media pemadat limbah mempunyai sifat lebih tahan variasi suhu, lebih tahan bahan kimia (klorida, sulfat), lebih tahan keausan, stabilitas dimensi lebih besar. Monolit keramik dapat dari tiga bahan baku utama yaitu lempung, feldspar dan pasir. (3, 4, 5, 6)
Dalam pembuatan keramik, baik untuk keramik tradisional ataupun keramik modern dilakukan dengan proses kalsinasi pada suhu tinggi. Dalam proses kalsinasi ini maka akan terjadi dehidrasi air higroskopis, oksidasi dan vitrifikasi. Untuk mencapai suhu bakar yang tinggi agar proses pembakaran keramik tercapai seperti yang diinginkan merupakan pekerjaan yang sulit, oleh karena itu perlu dilakukan upaya menurunkan titik lebur dari senyawa penyusun keramik tersebut. Selain itu untuk mencapai kualitas produk yang baik dan agar proses pembakaran keramik tercapai pada suhu yang tidak terlalu tinggi, maka diperlukan bahan tambahan (aditif). Aditif ini berfungsi untuk memperbaiki sifat pemuaian, keplastisan dan proses pengerasan, disamping itu aditif dapat berfungsi juga untuk mengurangi jumlah air dalam pembentukan adonan, mempermudah pengerjaanya dan penurunan suhu pembentukan keramik.(3, 7,8)
Pada penelitian ini akan diteliti penggunaan bahan aditif Pb3O4 dan TSG Frit untuk pembuatan keramik dari bahan baku lempung. Tujuan penelitian ini adalah untuk memadatkan sludge Ca3(PO4)2 hasil pengolahan secara kimia limbah radioaktif cair yang mengandung kontaminan Uranium menggunakan bahan dasar lempung (keramikisasi) dengan penambahan aditif Pb3O4 + TSG Frit sehingga mobilitas Uranium ke lingkungan dapat dihambat.
TATA KERJA
BahanSludge Ca3(PO4)2 hasil pengolahan kimia limbah cair yang mengandung kontaminan Uranium.. Selanjutnya Sludge Ca3(PO4)2 dicampur dengan lempung, aditif Pb3O4 + TSG Frit dan air untuk membentuk monolit keramik.
Alat
Endapan hasil proses koagulasi & flokulasi dicampur dengan lempung aditif Pb3O4 + TSG Frit dan air dicetak menjadi bahan monolit keramik kemudian dipanaskan pada tungku bakar (furnace) Monolit keramik yang terjadi diuji kualitasnya memakai alat uji tekan Paul Weber.
Cara Kerja
Untuk melakukan pemadatan endapan hasil pengolahan kimia, mula-mula lempung dihancurkan sampai didapatkan ukuran 100 sampai dengan 200 mesh. Lempung yang sudah dikarakterisasi di Laboratorium Balai Keramik Bandung, dihaluskan selanjutnya dimasukkan ke dalam gelas beker, kemudian ditambahkan Sludge Ca3(PO4)2, aditif Pb3O4 + TSG Frit, air dan diaduk sampai terbentuk adonan yang homogen. Adonan yang terjadi kemudian dicetak dalam bentuk silender dengan ukuran tinggi 2,5 cm, diameter 2,46 cm dengan diberi tekanan sebesar 20 N/mm2. Hasil cetakan yang terjadi kemudian dikeringkan pada suhu kamar sampai beratnya stabil. Hasil cetakan yang telah kering kemudian dipanaskan. Blok monolit yang terjadi setelah dingin diamati bentuknya secara visual, kemudian dilakukan uji kuat tekan, uji kemampuan serap terhadap air dan uji lindi. Uji kuat tekan dilakukan menggunakan Alat Uji Tekan Paul Weber. Uji lindi dilakukan pada medium air tawar, yaitu dengan cara merendam monolit ke dalam air tawar, selanjutnya laju lindi dihitung sesuai dengan persamaan 1.(1)
x t
S
W
x
A
A
R
o o t=
……… (1)R = Laju pelindian (gr.cm-2. hari-1) S = Luas permukaan cuplikan (cm2) At = Aktivitas pada waktu t
t = Lama perendaman (hari) Ao = Aktivitas awal Wo = Berat cuplikan (gr)
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Karakteristik serap air monolit keramik Pengaruh aditif Pb3O4 + TSG FRIT, konsentrasi
sludge Ca3(PO4)2, dan suhu pemanasan terhadap karakteristik serap air monolit keramik dapat dilihat pada Gambar 1, 2, 3. Dari Gambar tersebut
konsentrasi sludge Ca3(PO4)2, dan suhu pemanasan berpengaruh terhadap karakteristik serap air monolit keramik yang dihasilkan. Semakin banyak aditif yang ditambahkan ke dalam monolit keramik menyebabkan nilai serap airnya semakin kecil. Hal ini kemungkinan disebabkan karena sifat dari Pb3O4 dan TSG FRIT yang lebih mudah melebur dibandingkan dengan lempung sehingga semakin banyak Pb3O4 dan TSG FRIT yang ditambahkan maka jumlah leburan yang terjadi juga semakin banyak. Pb3O4 dan TSG FRIT yang melebur sangat mempengaruhi ukuran pori-pori monolit keramik yang terjadi, pori-pori monolit menjadi kecil. Kecilnya ukuran pori-pori akan menyebabkan rendahnya sifat serap terhadap air. Dalam penyimpanan lestari limbah radioaktif, dikondisikan agar supaya monolit limbah tidak mudah menyerap air sehingga adanya proses pelindian terhadap air bisa dikurangi.
14 18 22 26 30 34 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Jumlah Aditif (%) Ke m am pu an S er ap M on ol it T erh ad ap A ir (% ) 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC
Gambar 1. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap kemampuan serap air monolit keramik pada konsentrasi sludge Ca3(PO4)2 5 % yang dibuat pada berbagai suhu pemanasan. 8 12 16 20 24 28 32 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Jumlah Aditif (%) K em am pua n S er ap M onoli t T er ha da p A ir (% ) 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC
Gambar 2. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap kemampuan serap air monolit keramik pada konsentrasi sludge Ca3(PO4)2 10 % yang dibuat pada berbagai suhu pemanasan. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Jumlah Aditif (%) K em am pua n S er ap Mon ol it T er ha da p A ir (% ) 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC
Gambar 3. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap kemampuan serap air monolit keramik pada konsentrasi sludge Ca3(PO4)2 15 % yang dibuat pada berbagai suhu pemanasan.
Untuk suhu pemanasan yang semakin tinggi, maka semakin rendah daya serap terhadap air. Hal ini dapat dijelaskan berdasarkan reaksi-reaksi yang terjadi selama pemanasan. Reaksi air mekanis mulai terjadi pada suhu 150 oC, pada reaksi ini air yang terjerap dalam mineral akan menguap. Banyaknya air yang menguap tergantung pada ukuran mineral. Reaksi dehidrasi air kristal mulai terjadi pada suhu 450 oC sampai 700 oC. Pada reaksi ini akan terjadi dekomposisi mineral, yaitu dengan lepasnya air terhidrat dalam mineral seperti yang terjadi pada reaksi berikut : (8, 9) Al2O3.2SiO2.2H2O → Al2O3.2SiO2 + 2 H2O (2)
(Meta kaolinit)
Pada pemanasan sampai dengan 1000 oC, maka sudah terjadi reaksi-reaksi sebagai berikut : (8, 9) 2 (Al2O3.2 SiO2) → 2Al2O3.3SiO2 + 2 SiO2 (3)
silicon spinel trydimite 2 Al2O3.3SiO2 → 2 Al2O3.SiO2 + SiO2 (4)
pseudo mulite
Reaksi 3 dan 4 ini merupakan reaksi kristalisasi, yaitu reaksi tranformasi senyawa-senyawa oksida membentuk senyawa-senyawa kristalin. Pemanasan sampai dengan tahap ini, lempung (Al2O32SiO2.2H2O) telah mengurai total menjadi alumina amorf dan silika amorf. Bentuk ini akan tetap hingga pemanasan sampai dengan 1000 oC. Selain itu, juga sudah terjadi reaksi oksidasi dari
senyawa-senyawa pengotor yang mudah teroksidasi pada suhu tinggi. Adanya oksidasi ini akan berpengaruh positif terhadap pembentukan monolit keramik. Sampai dengan tahapan ini, sudah mulai terjadi vitrifikasi dari mineral yang dipanaskan. Ruang-ruang kosong yang terjadi karena ditinggal oleh air dan senyawa organik yang terbakar (teroksidasi) akibat adanya reaksi dehidrasi dan oksidasi sudah mulai merapat. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya penyusutan volume monolit keramik. Sebagai akibat terjadinya vitrifikasi ini dapat dilihat dari kemampuan serapnya terhadap air.
Dari Gambar 1, 2, 3 tampak bahwa untuk jumlah konsentrasi sludge Ca3(PO4)2, semakin yang banyak maka semakin rendah kemampuan serapnya terhadap air. Hal ini mengindikasikan bahwa sludge Ca3(PO4)2, juga dapat berfungsi sebagai bahan pelebur. Untuk jumlah sludge Ca3(PO4)2 sebanyak 15 %, jumlah Aditif Pb3O4 + TSG FRIT 15 % dan suhu pemanasan sebesar 1100
oC diperoleh harga kemampuan serap monolit
terhadap yang terendah.
2. Karakteristik kuat tekan monolit keramik Pengaruh aditif terhadap karakteristik kuat tekan monolit keramik limbah pada berbagai kondisi suhu pemanasan dapat dilihat pada Gambar 4, 5, 6. Dari Gambar tersebut tampak bahwa penambahan aditif dan suhu pemanasan berpengaruh terhadap karakteristik kuat tekan monolit keramik yang dihasilkan. Semakin banyak aditif yang ditambahkan ke dalam monolit keramik menyebabkan nilai kuat tekan yang dihasilkan semakin tinggi. Hal ini dapat terjadi karena keberadaan aditif yang melebur pada saat pemanasan dan akan menutup pori monolit, sehingga nilai kuat tekannya akan menjadi tinggi. Untuk suhu pemanasan yang semakin tinggi akan memberikan nilai kuat tekan yang semakin besar. Hal ini disebabkan karena terjadi peleburan lempung sesuai reaksi 2, 3, 4 di atas, sehingga apabila monolit keramik semakin mampat (kemampuan serap terrhadap air semakin rendah) maka kuat tekan monolit semakin besar. Dengan kata lain kuat tekan monolit berbanding terbalik dengan kemampuan serap terhadap air.
1.8 2 2.2 2.4 2.6 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Jumlah Aditif (%) Kuat T eka n M ono lit ( N /mm 2) 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC
Gambar 4. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap kuat tekan monolit keramik pada konsentrasi sludge Ca3(PO4)2 5 % yang dibuat pada berbagai suhu pemanasan.
2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Jumlah Aditif (%) Ku at Te ka n M ono lit (N /m m 2) 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC
Gambar 5. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap kuat tekan monolit keramik pada konsentrasi sludge Ca3(PO4)2 10 % yang dibuat pada berbagai suhu pemanasan.
2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Jumlah Aditif (%) Kuat T ekan Mono li t ( N /m m 2) 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC
Gambar 6. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap kuat tekan monolit keramik pada konsentrasi sludge Ca3(PO4)2 15 % yang dibuat pada berbagai suhu pemanasan.
Dari perhitungan ANAVA dengan tingkat keyakinan 95 % (α = 0,05 ) menunjukan bahwa suhu pemanasan, penambahan aditif, konsentrasi sludge berpengaruh terhadap karakteristik kuat tekan dari monolit limbah yang dihasilkan. Dari hasil uji Duncan menunjukkan bahwa pemadatan sludge Ca3(PO4)2 dengan aditif Pb3O4 dan TSG FRIT akan menghasil kuat tekan monolit keramik yang optimal terjadi pada sludge Ca3(PO4)2 yang dipadatkan sebanyak 15 %, suhu pemanasan 1100 0 C, jumlah aditif Pb3O4 dan TSG FRIT antara 10 % - 15 %.
3. Laju lindi U dalam monolit keramik Pengaruh penambahan aditif terhadap laju lindi U dalam media aquades dapat dilihat pada Gambar 7, 8, 9, 10. Dari gambar tersebut tampak bahwa penambahan aditif dan suhu pemanasan berpengaruh terhadap laju lindi Uranium dari monolit keramik. Semakin banyak aditif yang ditambahkan ke dalam adonan keramik menyebabkan kadar Uranium yang terlindi semakin kecil. Semakin tinggi suhu pemanasan semakin yang dilakukan, laju lindi Uranium semakin rendah. Pelindian U dalam medium air dapat terjadi apabila ada kontak monolit dengan air. Untuk monolit yang kemampuan serapnya terhadap air semakin rendah, maka akan menyebabkan luasan monolit yang bisa kontak dengan air juga semakin sedikit, akibatnya laju lindi yang terjadi semakin kecil. Dari hasil yang diperoleh, laju lindi Uranium tertinggi diberikan oleh monolit keramik dengan penambahan aditif 5 % pada hari ke-7 dan pada suhu 800 0C yaitu sebesar 6,740 x 10-3 gr.cm-2 hari-1 sedangkan laju lindi Uranium terendah diberikan oleh sampel
0.8 1.6 2.4 3.2 4 4.8 5.6 6.4 7 14 21 Hari ke Laju L indi (10 -3 g c m -2 hari -1 ) Aditif 5% Aditif 7,5% Aditif 10 % Aditif 12,5 % Aditif 15 %
Gambar 7. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap laju lindi uranium pada keramikisasi sludge Ca3(PO4)2 yang dibuat pada suhu pemanasan 800 0C untuk berbagai macam penambahan aditif.
0 0.8 1.6 2.4 3.2 4 4.8 7 14 21 Hari ke La ju Li nd i ( 10 -3 g cm -2 ha ri -1 ) Aditif 5% Aditif 7,5% Aditif 10 % Aditif 12,5 % Aditif 15 %
Gambar 8. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap laju lindi uranium pada keramikisasi sludge Ca3(PO4)2 yang dibuat pada suhu pemanasan 900 0C untuk berbagai macam penambahan aditif.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 7 14 21 Hari ke L aju L in di (1 0 -3 g cm -2 ha ri -1 ) Aditif 5% Aditif 7,5% Aditif 10 % Aditif 12,5 % Aditif 15 %
Gambar 9. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap laju lindi uranium pada keramikisasi sludge Ca3(PO4)2 yang dibuat pada suhu pemanasan 1000 0C untuk berbagai macam penambahan aditif.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 7 14 21 Hari ke L aj u L ind i ( 10 -3 g cm -2 ha ri -1 ) Aditif 5% Aditif 7,5% Aditif 10 % Aditif 12,5 % Aditif 15 %
Gambar 10. Pengaruh penambahan aditif Pb3O4 + TSG FRIT terhadap laju lindi uranium pada keramikisasi sludge Ca3(PO4)2 yang dibuat pada suhu pemanasan 1100 0C untuk berbagai macam penambahan aditif.
uji monolit keramik pada penambahan aditif 15 % pada hari ke -21 dan pada suhu 1100 0 C yaitu sebesar 0,271 x 10-3 gr.cm-2 hari-1. Laju lindi yang diijinkan sesuai dengan standar Badan Tenaga Atom Internasional (IAEA) sebesar 10-3 gr.cm -2.hari-1 pada hari ke -90
Dari perhitungan ANAVA dengan tingkat keyakinan 95 % yang dilanjutkan dengan uji Duncan menunjukkan bahwa laju lindi Uranium
yang terendah berada pada suhu 1100 0C,
penambahan aditif antara 10% - 15 %.
KESIMPULAN
Dari hasil pembahasan dapat diambil
kesimpulan bahwa Aditif Pb3O4 + TSG FRIT
berpengaruh positif dalam pemadatan Sludge Ca3(PO4)2 yang mengandung kontaminan Uranium menggunakan lempung. Kondisi optimal pemadatan terjadi pada jumlah sludge Ca3(PO4)2 sebanyak 15 %, Aditif Pb3O4 + TSG FRIT yang ditambahkan antara 10 % -15 %, suhu pemanasan
sebesar 1100 oC. Pada kondisi ini akan diperoleh kemampuan serap monolit keramik terhadap air sebesar 2,753 `% %, kuat tekan monolit sebesar 4,427 N/mm2, laju lindi U sebesar 0,271x 10-4 gram cm-2 hari-1 pada hari ke-21.
DAFTAR PUSTAKA
1. IAEA, , Treatment of Low and Intermediete Level Liquid Waste, Technical Report Saeries No. 236, IAEA, Vienna, (1984).
2. RONODIRDJO, S., Diktat Kuliah Pengelolaan Sampah Radioaktif (Radioaktive Wastes Management), Bagian Teknik Nuklir Fakultas Teknik UGM, Yogyakarta, (1981).
3. AUSTIN, G.T., Shreve’s Chemical Process Industries, 5th Edition, Mc Grow- Hill Book Company, New York, (1984).
4. DLOUHY, Z, Disposal Of Radioaktive Waste, Elsiever Scientific Publishing Company, Amsterdam, (1982)
5. ZANGE, E., Immobilization of Residue By Embedding Into Concrete, Proceeding of Symposium Conditioning of Radioactive Waste For Storage and Disposal, (1983).
6. IAEA,1983, Conditioning of Radioaktive For Storage and Disposal, IAEA, Vienna.
7. BARABA, W, Membangun Struktur Keramik Maju Indonesia Berbasis Sumber Daya Lokal, Balai Besar Penelitian dan Pengembangan Industri Keramik, Bandung, (1999)
8. HARTONO, JMV., Teori Pembakaran Bagian I dan II, Informasi Teknologi Keramik dan Gelas, (1991).
9. MEDA SAGALA, Perubahan Fisika-Kimia dan Mineral Pada Pembakaran Lempung, Informasi Teknologi Keramik dan gelas, Badan Penelitian dan Pengembangan Industri, Balai Besar Keramik, Bandung, (2000).
