*) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN 205
PENGARUH ION LOGAM KO-EKSISTENSI
TERHADAP SORPSI CESIUM DAN STRONSIUM OLEH BENTONIT
Budi Setiawan *)
ABSTRAK
PENGARUH ION LOGAM KO-EKSISTENSI TERHADAP SORPSI CESIUM DAN STRONSIUM OLEH BENTONIT. Studi tentang pengaruh ion logam yang ada di larutan
sebagai ion ko-eksistensi terhadap reaksi sorpsi radiocesium dan stronsium oleh bentonit telah dipelajari. Bermacam jenis ion logam yang terlarut di air tanah diperkirakan akan berpengaruh terhadap sorpsi radiocesium dan stronsium oleh bentonit. Mineral bentonit ini pada fasilitas penyimpanan akhir limbah radioaktif akan berperan sebagai bahan penyangga yang diletakkan antara paket limbah dan host rock. Sedangkan radiocesium dan stronsium merupakan radionuklida acuan untuk penelitian tentang limbah radioaktif aktivitas rendah-sedang. Tujuan dari kegiatan ini adalah untuk mendapatkan informasi mengenai proses perpindahan radiocesium dan stronsium secara sorpsi dari larutan ke dalam mineral bentonit, dimana untuk itu bahan kajian ini menggunakan informasi sekunder/studi literatur yang ada. Dari hasil kajian yang ada diharapkan dapat memberikan gambaran proses perpindahan radiocesium dan stronsium dari larutan ke bentonit saat ion logam lain juga ada bersama di larutan. Material yang sama sebagai mineral lokal asal Indonesia dilain waktu perlu juga dipelajari kemampuannya bila digunakan sebagai bahan penyangga.
Kata kunci: sorpsi, ion-koeksistensi, cesium, stronsium, bentonit
ABSTRACT
EFFECT OF CO-EXISTENCE METAL IONS TO SORPTION OF CESIUM AND STRONTIUM ONTO BENTONITE. Study of metal ions effect exists in solution as co-existence ions to radiocesium and strontium sorption reaction onto bentonite has been done. Various soluble metal ions in groundwater were predicted to give an effect to radiocesium and strontium sorption onto bentonite. Bentonite mineral on a radwaste disposal facility has role as a buffer material, which is put in between waste packages and host rock. However radiocesium and strontium are a reference radionuclide for the study of low and intermediate-level wastes. Objective of the study was to collect the information about transfer process of radiocesium and strontium by sorption method from solution onto bentonite mineral, where the material of study used secondary information/ available literatures. From the study hoped that it would give some information of transfer processes of radiocesium and strontium from solution onto bentonite when other metal ions also existed in solution. For next investigation it would be valuable if the similar materials such as a local mineral from Indonesia also to be studied their capacity for applying as buffer material.
Keywords: sorption, co-existence ion, cesium, strontium, bentonite
PENDAHULUAN
Masalah utama dari kegiatan nuklir adalah timbulnya limbah radioaktif yang harus dikelola dengan baik dan benar agar kontaminannya tidak tersebar dan membahayakan lingkungan hidup. [1] Radioaktivitas yang ada juga harus dikelola agar turun ke aktivitas yang tidak lagi dapat membahayakan lingkungan hidup. Sistem penyimpanan akhir limbah radioaktif (PA-LRA) dibuat dengan sistem yang berlapis
seperti ditunjukkan pada Gambar 1, sehingga material yang digunakan sebagai pelapis pada sistem tersebut perlu diuji dan dipelajari kemampuannya [2,3]. Salah satunya adalah bahan penyangga (buffer materials) yang diletakkan antara paket limbah dan dinding batuan/tanah alami. Batuan bentonit umumnya digunakan untuk keperluan ini. Batuan bentonit mempunyai sifat fisik yang dapat melakukan
206
Radiocesium (Cs-137) dan stronsium (Sr-90) adalah salah satu radionuklida acuan untuk limbah radioaktif beraktivitas rendah-sedang karena umur paro kedua radionuklida relatif panjang (30 dan 28 tahun) dan sifat cesium yang mudah terlarut di air tanah, sedangkan stronsium bersifat mudah tinggal di dalam tubuh manusia dengan melakukan substitusi dengan ion kalsium yang ada di tulang belakang. Interaksi antara radiocesium dan stronsium dengan bahan/mineral alami seperti bentonit menjadi objek penelitian yang menarik dan penting dilakukan karena perhatian terhadap masalah kontaminasi radionuklida ke lingkungan. Studi sorpsi elemen radioaktif yang dihasilkan dari proses fisi seperti radiocesium dan stronsium dengan bahan alami menjadi suatu subjek kegiatan yang perlu diperhatikan.
Di air tanah telah eksis bermacam ion logam yang diperkirakan turut berinteraksi dengan sistem penghalang [4], sehingga keberadaan ion logam koeksistensi di air tanah merupakan salah satu parameter penting yang ikut dipertimbangkan pada proses sorpsi radionuklida dari larutan ke bahan alami seperti bentonit. Proses kinetikanya akan memberikan gambaran kemampuan bahan tersebut untuk “mengambil” (removal) radionuklida dari larutan. Proses pengambilan radionuklida dari larutan dapat diketahui dari koefisien distribusi radionuklida di sampel dan tersisa
di larutan atau dikenal sebagai nilai koefisien distribusi/Kd (ml/g) dimana [5],
larutan di tersisa banyaknya padatan di terserap banyaknya RN RN = Kd (1) atau
K
d=
C
0−
C
tC
tV
m
(2)C0 dan Ct masing-masing adalah konsentrasi
awal dan akhir radionuklida (RN) di larutan,
V adalah volume total larutan (ml), m adalah massa lempung (g) dan Kd adalah koefisien
distribusi radionuklida di sampel dan di larutan.
Penggelembungan (swelling) dengan cara menyerap larutan/air. Jarak antar lapisan yang semakin menjauh akibat serapan air menyebabkan batuan bentonit dapat menggelembung. Sifat ini kemudian dimanfaatkan sebagai bahan penyangga untuk menghambat laju adanya rembesan air/air tanah menuju ke paket limbah yang ada di fasilitas PA-LRA. Adanya lepasan radionuklida yang ikut merembes bersama aliran air dari fasilitas PA-LRA juga akan dihambat oleh lapisan bentonit dengan cara diserap (sorption process) agar kontaminan tidak menyebar lebih jauh dari fasilitas PA-LRA. Terlihat bahwa peran bentonit sebagai penghambat kemungkinan adanya penyebaran radionuklida dari fasilitas PA-LRA sangat penting untuk dipelajari.
207
Pada kajian ini akan dipelajari pengaruh adanya ion-ion logam koeksistensi (seperti Na+, K+, Ca2+, Mg2+)yang bersama-sama ada di larutan terhadap interaksi antara radiocesium/Cs-137 dan stronsium/ Sr-90 dengan bentonit. Hasil kajian ini akan membantu untuk mempelajari salah satu parameter penting yang berhubungan dengan karakter sorpsi radionuklida yang berguna memahami perilaku radionuklida pada suatu sistem penghalang pada suatu fasilitas PA-LRA jenis aktivitas rendah-sedang. Tujuan pengkajian ini adalah mempelajari salah satu parameter penting yang berpengaruh pada proses perpindahan radiocesium dan stronsium secara sorpsi dari larutan ke bentonit sebagai bahan penyangga.
METODE
Pengkajian tentang pengaruh ion logam ko-eksistensi terhadap sorpsi cesium dan stronsium oleh bentonit dilaksanakan melalui studi pustaka terhadap beberapa hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya [6-10]. Pengukuran sorpsi dilakukan secara catu/batch, dimana bentonit sebagai sampel dikontakkan dengan larutan yang mengandung radionuklida (Cs-137, Sr-90). Waktu yang digunakan untuk pengontakkan antara radionuklida dengan sampel sengaja dilakukan sebelum waktu jenuh atau kesetimbangan tercapai. Hal ini dimaksudkan agar reaksi pertukaran antara radionuklida dengan ion-ion ko-eksistensi yang akan dipelajari terlihat dengan jelas tidak terpengaruh dengan adanya radionuklida yang terikat tak dapat balik oleh sampel bentonit.
Beberapa peralatan yang umum digunakan pada studi seperti ini adalah
roller atau shaker pengocok campuran larutan yang mengandung radionuklida dan sampel bentonit yang dapat dikontrol kecepatan kocoknya, alat pemisah fase air dan padatan seperti alat pemusing (centrifuge) atau alat penyaring, alat analisis radiometrik seperti liquid scintillation counter (LSC) atau multichannel analyzer.(MCA). Kegiatan pengkajian ini seluruhnya dilaksanakan pada tahun fiskal 2009 di Bidang Teknologi Penyimpanan Lestari, PTLR-BATAN, Serpong-Tangerang, Banten.
PEMBAHASAN
Nilai optimal Kd dari suatu radionuklida yang terserap ke padatan dapat diperoleh dengan cara menambahkan konsentrasi penyerapnya terhadap larutan berisi radionuklida dengan konsentrasi tertentu. Setelah waktu pengontakkan tertentu sebagian radionuklida akan terserap ke penyerap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3, masing-masing untuk radiocesium dan radiostronsium.
Nilai Kd dari masing-masing radionuklida terlihat meningkat bersama dengan bertambahnya konsentrasi penyerap. Pada konsentrasi / berat penyerap yang tertentu nilai Kd radionuklida telah menjadi maksimal, hal ini disebabkan karena site
pertukaran dari penyerap (dalam kasus ini adalah bentonit) untuk melakukan sorpsi telah mencapai kondisi optimal. Nilai optimal Kd yang diperoleh untuk sorpsi radiocesium dan stronsium terserap ke sampel bentonit masing-masing dapat mencapai 1025 dan 410 ml/g. Disini terlihat bahwa site pertukaran untuk ion cesium pada sampel bentonit tersedia lebih banyak dibandingkan dengan yang tersedia untuk stronsium, sehingga menyebabkan nilai Kd cesium > stronsium.
Kemampuan ion-ion koeksistensi mempengaruhi nilai Kd radionuklida ke bentonit ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5, masing-masing untuk radiocesium dan stronsium. Terlihat bahwa keberadaan sejumlah konsentrasi ion koeksistensi di larutan dapat menyebabkan berkurangnya nilai Kd radionuklida di bentonit. Nilai Kd radiocesium akan menurun secara nyata dari nilai awal sekitar 1000 ml/g menjadi sekitar 500 ml/g, sedangkan untuk stronsium juga berkurang dari nilai Kd 400 turun menjadi sekitar 130 ml/g.
Pengaruh ion-ion koeksistensi terhadap nilai Kd radiocesium yang dihasilkan mengikuti urutan sebagai berikut: K+ > Ca2+ > Mg2+ > Na+. Urutan ini agak berbeda dengan pertukaran ion yang umum terjadi, dimana biasanya proses pertukaran ion untuk ion-ion divalent akan lebih kuat berkompetisi terhadap ion-ion monovalen pada sorpsi radionuklida berkonsentrasi sangat kecil [11].
208
Gambar 2. Pengaruh penambahan penyerap terhadap nilai Kd radiocesium.
Gambar 3. Pengaruh penambahan penyerap terhadap nilai Kd radiostronsium.
Pada Gambar 4 terlihat bahwa radiocesium yang terserap oleh bentonit menjadi lebih sedikit/lebih rendah nilai Kdnya akibat keberadaan ion K dibandingkan dengan pengaruh keberadaan ion Ca di larutan. Kuatnya pengaruh ion K terhadap sorpsi Cs dapat diterangkan sebagai berikut. Ion K yang sama-sama berada di golongan I pada daftar unsur susunan berkala mempunyai radius ion (ionic radii) yang mirip dengan yang dimiliki oleh ion Cs sehingga akan menyebabkan kompetisi yang lebih efektif dengan ion Cs untuk melakukan pertukaran posisi antara ion K dengan radiocesium dengan lebih optimum dibandingkan dengan ion Ca. Kemiripan ukuran, muatan dan hidrasi antara ion Cs dengan ion koeksistensi akan menentukan pengaruh sorpsi radionuklida oleh bentonit. Sehingga untuk meningkatkan efisiensi pengambilan Cs dari larutan, konsentrasi yang tinggi dari ion-ion koeksistensi di larutan sejauh mungkin perlu dihindari.
Sedangkan pengaruh ion koeksistensi di larutan terhadap nilai Kd stronsium ditunjukkan pada Gambar 5, dimana efektivitas ion koeksistensi di larutan dalam mereduksi sorpsi Sr oleh bentonit mengikuti urutan sebagai berikut: Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+. Hal ini dapat diterangkan bahwa semakin lebarnya radius ion koeksistensi membuat reduksi sorpsi radiostronsium menjadi lebih efektif.
Kemudahan untuk melakukan pertukaran ion antara ion koeksistensi dengan ion Sr dapat terjadi karena ion-ion yang saling dipertukarkan mempunyai golongan yang sama pada daftar susunan berkala [11]. Dengan kata lain semakin tinggi konsentrasi ion koeksistensi terdapat di larutan akan menyebabkan rendahnya nilai Kd stronsium atau menyebabkan migrasi radiostronsium di larutan menjadi meningkat.
209
Hasil diatas memperlihatkan bahwa pada pertukaran ion Sr dengan ion-ion koeksistensi yang diteliti (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) mengikuti urutan Hofmeister, dimana suatu ion yang mempunyai radius ionik lebih kecil berkecenderungan untuk meng gantikan ion-ion yang mempunyai radius ionik yang lebih besar [12,13,14]. Dengan mengikuti aturan seperti di atas maka selektivitas sorpsi ion logam oleh tanah/lempung akan menurun mengikuti urutan Cs > K > Na > Li untuk ion-ion monovalen dan urutan Ba > Sr > Ca > Mg untuk ion-ion yang berstatus divalent ketika ion logam tersebut berinteraksi dengan tanah/lempung. Data tersebut telah mengindikasikan bahwa kecenderungan ini akan berlaku hanya untuk ion-ion logam yang mempunyai status oksidasi yang sama
atau segolongan dalam tabel susunan berkala.
Indonesia kaya akan mineral alami seperti bentonit yang dapat ditemukan dalam jumlah yang cukup banyak di Pulau Jawa, Sumatera, Kalimantan dan Sulawesi [15,16]. Kekayaan ini merupakan asset pokok bagi persiapan pengadaan fasilitas PA-LRA di Indonesia, utamanya sebagai bahan penyangga fasilitas. Sehingga material alami ini perlu pula kiranya bila di lain kesempatan untuk dapat dilakukan penelitian sejenis guna dipelajari kemampuan menghambat sebaran radioaktif/logam berat berbahaya ke lingkungan. Hal ini dimaksud sebagai antisipasi bila nantinya digunakan sebagai bahan penyangga pada fasilitas PA-LRA di masa yang akan dating.
Gambar 4. Pengaruh ion koeksistensi di larutan terhadap nilai Kd radiocesium.
210
KESIMPULAN
Dari kajian diatas dapat diperoleh gambaran proses perpindahan radionuklida (cesium dan stronsium) dari larutan ke bentonit dengan kondisi yang dipengaruhi keberadaan ion logam koeksistensi di larutan.
Keberadaan ion logam koeksistensi di larutan telah memberikan pengaruh terhadap sorpsi radionuklida ke bentonit dengan ditandai dengan menurunnya nilai Kd radionuklida ke bentonit. Untuk sorpsi radiocesium telah memberikan pengaruh dengan urutan sebagai K+ > Ca2+ > Mg2+ > Na+, sedangkan sorpsi stronsium memberikan pengaruh dengan urutan Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+.
Indonesia yang kaya dengan mineral alami seperti bentonit, perlu untuk diperoleh data kemampuan bentonit sebagai salah satu material pendukung (bahan penyangga) pada fasilitas PA-LRA di masa yang akan datang.
DAFTAR PUSTAKA
1. Managing Radioactive Waste Safely, Dept. of Environment, Food and Rural Affair, Dept. of Environment, National Assembly for Wales, Scottish Executive, Sept. 2001.
2. N. CHAPMAN and IG. Mc KINLEY,
The Geological Disposal of Nuclear Waste, John Wiley & Sons, Chichester (1985)
3. DG. BROOKIN, Geochem. Aspect of Radioactive Waste Disposal, Springer-Verlag, N.Y (1984).
4. AG., HOWARD, Aquatic Envi ronmental Chemistry, Oxford Sci. Publs, NY (1998).
5. HN., ERTEN, et.al., Sorption of Cesium and Strontium on Montmorillonite and Kaolinite, Radiochim. Acta 44/45,147
(1988).
6. WJ., WEBER, Physicochem. Process for Water Quality Control, Willey-Interscie., NY (1972).
7. JS., MATTSON and HB., MARK,
Activated Carbon: Surface Chem. & Adsorption From Solution, Mercel-Dekker Inc., NY. (1971).
8. BM., VAN VLIET and WJ., WEBER, Comparative Perform ance of Synthetic Adsorbents and Activated Charcoal for Specific Compound Removal From Waste Water, J. Water Poll. Control Fed53, 1585 (1981).
9. MN., SABODINA et.al., Sorpti on Properties of Bentonite Clays Toward Several Radionuclides, Herald of Dept. of The Earth Scie., RAS (2004). 10. S., STAUNTON, M., ROU BAUD,
Adsorption 137Cs on Montmorillonite and Illite, Clay & Clay Minerals 45
No.2, 251-260 (1997).
11. J., BELL and TH., BATES, Distr. Coeff. of Radionuclides between Soils and Groundwaters and Their Dependence on Various Test Parameters, Sci. Total Env.,69, 297-317
(1988).
12. DL., DOLCATES, et.al., Cation Exch. Selectivity of Some Clay Sized Minerals and Soil Materials, Soil Sci. Soc. Am. Proc.,32, 795-798 (1968).
13. PJ., SULLIVAN, The Principle of Hard and Soft Acids and Bases as Applied to Exchange able Cation Selectivity in Soils, Soil Sci., 124, 117 (1977).
14. W., STUMM and J., MORGAN,
Aquatic Chemistry, Wiley, NY (1996). 15. A., RIYANTO, Bahan Galian Industri
Bentonit, PPTM, Bandung (1994). 16. M., SIMATUPANG dan S. SIGIT.
Pengantar Pertambang an Indonesia, Asosiasi Pertam bangan Indonesia, Jakarta (1992).
