DEKOMPOSISI
THERMAL
GEL UO3
Hidayati, Nurwijayadi, Bangun Wasito
P3TM-BATAN. JI. Babarsari Kotak Pos fO08. Yogyakarta
Bambang Sugeng, Evi Hertiviana
Pusat Penelitian dan Pengembangan Jptek Bahan -BA TAN -Serpong
ABSTRAK
Telah dipelajari kelakuan dekomposisi tem1al daTi bola-bola mikro gel UO3. Analisis tem1al meliputi OTA dan TG serta penjelasan analisis dengan XRO. Bola-bola mikro gel UO3 disiapkan daTi larutan uranH nitrat yang direaksikan dengan urea + HMTA kemudian diteteskan ke dalam kolom yang berisi media parafin pada suhu 95'C. Mikrobutir gel UO3 yang diperoleh dicuci dengan NH40H kemudian dikeringkan. HasH pengeringan diambH sampel untuk dianalisis kelakuan tem1alnya dengan Blat STA (Simultaneous Them1al Analyzer) sampai suhu 70d'C. serta penyiapan sampel untuk analisis XRO dengan pemanasan pada suhu 20d', 40d', 50d' dan 60ifc. HasHnya menunjukkan bahwa dekomposisi tem1al mikrobutir gel UO3 meliputi 5 tahap. Tahap pertama dan kedua merupakan reaksi endotem1is hHangnya air yang menempel / terikat secara fisika mulai suhu 10d'C maupun air kristal yang terikat secara kimia. Tahap ketiga dan ke empat merupakan reaksi eksotem1is hHangnya amonia dan step terakhir merupakan reaksi eksotem1is perubahan senyawa daTi UO3.xNH3 menjadi U30S. HasH daTi pols difraksi sinar-x yang diperoleh menunjukkan bahwa senyawa gel UO3 yang telah dipanaskai1 pada suhu 60d'C telah memberikan indikasi terbentuknya senyawa U30S, sehingga suhu minimum kalsinasi adalah 60d'C.
ABSTRACT
Thennal Decomposition of Gelled UO3. The thennal decomposition behavior of gelled UO3 microspheres have been studied. The thennal analysis included DTA and TG with XRD analysis examination. The gelled were prepared by reacting uranyl nitrate with urea + HMT A, then dropped into a column containing paraffin oil at temperature of 9S<>C. The obtained gel were washed using NH40H and then dried. There were analyzed their thennal behavior using STA (Simultaneous Thennal Analyzer) up to 70d'C and were prepared for XRD analysis by heating at 20d'c, 40d'C, 5Od'C and 60d'C. The results showed that thennal decomposition of gelled UO3 microsphere consisted of five steps. The first and second steps were endothennic reaction of the removal of the physics absorbed water started at 10d'C, and the removal of chemically bounded water. The third and fourth steps were exothennic reactions of the ammonia removal and the last steps was exothennic reaction of change of compound UO3.xNH3 to U30S. The XRD patterns showed that compound of gelled UO3, which had been heated at 60d'C give an indication the fonn of U30S compound, so that the minimum temperature of calcination was 60d'c.
Pembuatan kernel UO2 bisa dilakukan melalui proses kimia basah maupun kerillg. Keuntungan proses melalui metode kimia" basah, yaitu hasilnya tidak poros dan lebih homogen. Ada beberapa metode kimia basah yang bisa dilakukan yang masing-masing berbeda antara yang satu
dengan yang lain. Proses tersebut dinamakan proses
sol-gel.
PENDAHULUAN
S alah satu kelebihan bahan bakar partikel berlapis untuk penggunaan reaktor suhu tinggi adalah kemampuan partikel untuk menampung hasil fisi selama operasi reaktor. Inti partikel berlapis disebut kernel yang dapat berupa UO2, campuran (Th~U)O2, PUO2 atau campuran UO2 dan UC. Selama operasi reaktor, hasil fisi tertampung dengan kuat dalam partikel karena kernel dilapisi dengan lapisan Silikon Carbida (SiC) clan Pirokarbon (PyC) yang mempunyai densitas dan kekerasan yang tinggi.
Pad a penelitian ini pembuatan kernel UOz dilakukan dengan metode gelasi internal. Proses yang dilakukan adalah modifikasi dari proses KEMA dan HKF A, seperti yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu, dengan diagram alir seperti
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar llmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000
Hidayati, dkk ISSN 0216-3128
277
.
pa., Kalium bikromat titrisol, Urea, pa., HMT A, pa., Minyak parafin, Asam amido solfonat, pa. clan ABM.
Peralatan yang digunakan '0
Seperangkat alat untuk pembuatan gel (kolom gelasi yang dilengkapi dengan kompor
listrik, termostat, penampung umpan dan pompa udara), peralatan gelas, kompor listrik, tungku pengering, tungku kalsinasi, seperangkat alat ST A, dan seperangkat alat XRD (X- Ray Difractometer) pada gambar 1. Seperti pada diagram alir tersebut,
larutan uranil nitrat yang telah dicampur dengan urea dan HMTA pad a suhu O°C didispersikan ke dalam kolom yang berisi minyak parafin 95°C dan dipadatkan dengan reaksi pengendapan secara kimia. Partikel gel tersebut kemudian diproses menjadi mikrobutir keramik sesuai dengan yang dikehendaki terutama dengan perlakuan termal.
Untuk memperoleh basil kernel yang baik dengan densitas tinggi, pengendapan harus selalu menjadi gel yang baik. Struktur gel! mikrobutir partikel barns dijaga selama pengeringan melalui penyusutan yang seragam. Oleh karena itu pengeringan harus dilakukan secara bertahap. Akumulasi uap dan pemanasan yang mendadak selama proses pengeringan barns dihindari karena dapat merusak butiran. Partikel gel yang telah diperoleh dari pengeringan kemudian dikalsinasi, direduksi clan disinter untuk memperoleh kernel UO2 yang mempunyai densitas tinggi.
Pada proses kalsinasi, terjadi reaksi dekomposisi partikel gel UO] menjadi U]O.. Untuk memastikan suhu kalsinasinya, pada penelitian ini gel UO3 diamati kelakuan termalnya dengan alat ST A (Stimulaneous Thermal Analizer). Pemanasan dilakukan sampai suhu 700°C. Hasilnya digunakan sebagai pedoman untuk menetapkan suhu kalsinasi.
Lar. Uranll nltrat, Urea
~
!
I]~~£~J ~ N H4 0 H I peng~inga;{ I I Kalstasil~¥!I::J
[~~~~
kernel UO2Gambar 1. Diagram alir proses sol.gel
Prosedur percobaan
1. Dibuat larutan umpan untuk gelasi internal: a. U3Oa dilarutkan dalam HN03 5,6 N pacta
suhu 80°C sehingga diperoleh larutan uranil
nitrat.
b. Larutan uranil nitrat hasil pelarutan diuapkan sampai hampir kering berkali- kali kemudian ditambah ABM hingga larutan mempunyai konsentrasi uranium sekitar 2,2 M dan keasaman sekitar I,ON.
c. Larutan ditambah urea dengan perbandingan mol urea I U = 2,2
d. Larutan didinginkan pada suhu O°C kemudian ditambah HMT A dengan perbandingan mol HMTAI U = 2,3.
e. Pembuatan gel U03 dilakukan 'dengan
Ittcltclcsknlt Ilmpnlt gcln~i ynltg dipcrolch dnri
no. I ke dalam kolom yang berisi minyak parafin pada suhu 95°C.
f. Gel yang diperoleh direndam dalam NH4OH 2,5 N selama > 12 jam kemudian dicuci dengan cairan serupa sebanyak 5 kali.
g. Gel tersebut kemudian dikeringkan secara bertahap yaitu pad a suhu 50°, 70° kemudian pada suhu 100°C.
h. Gel basil pengeringan dianalisis sifat termalnya dengan alat ST A sampai suhu 700°C dengan kecepatan pemanasan 10°C per menit.
i. Untuk melihat perkiraan struktur yang terjadi selama pemanasan, gel basil pengeringan sebagian dipanasi pacta suhu 200°, 300°, 400°, 500° dan 600°C.
j. Gel basil pemanasan tersebut dianalisis strukturnya dengan alat XRD.
k. Pengamatan pola difraksi pacta sudut dua teta antara 10° -70° dengan kecepatan sudut 4° per men it.
TATA
KERJA
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bahan kimia yang diperlukan
Larutan uranil nitrat, Asam nitrat pekat, pa., Asam sulfat pekat, pa., Asam fosfat pekat, pa.,
Natrium hodroksida titrisol, Amonium hidroksida, gelasi berwarna jingga transparan, setelah melalui
Hasil gel va) yang diperoleh dari kolom
Prosiding Periemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakaria, 25 -26 Juli 2000
Untuk meyakinkan terjadinya perubahan senyawa tersebut, pada tiap tahap pemanasan sampel dianalisis dengan XRD. Pemanasan dilakukan pada suhu 200°, 400°, 500° dan 600°C.
Hasil analisis sampel dengan alat XRD pad~ setiap tahap pemanasan ditampilkan pada gambar 3. Adapun data intensitas pada sudut dua teta pad a pemanasan 200°C seperti pad a tabel 1 dan gambar 3 di bawah ini :
Tabcll. Data intensitas, dhkl dan FWHM pada tiap sudut 20 dari pola difraksi sam pel ua3 yang telah dipanaskan pada suhu 200°C.
a
perlakuan perendaman, pencucian dan pengeringan berubah warnanya menjadi agak kuning dan agak buram. Proses selanjutnya untuk memperoleh kernel UOz adalah kalsinasi, reduksi, dan sintering.
Untuk menetapkan suhu kalsinasinya, gel UO3 dianalisis sifat termalnya dengan alat ST A. Dengan alat ST A dapat diketahui hubungan an tara perubahan suhu dengan perubahan senyawa yang diikuti oleh perubahan beratnya, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2 sbb. :
,
T' '" '.'-': .'_'.'_-~_.",~..'. ..or., ..-':".,'...=".. ~,.:":..
to".
i ,., ""-'.- ., " .'" .."."
..e
...v
.
,"'.' ..,.,~ \. '\ I ~ " '.~'-~ ...~ . -' "'\
'-:.' 'I .,r '. ..'" ..\ i I\
"I
_,., ' "" ,--.'I .~-. , "\'. ~.:::. ..' """"' :_.~..,.~." .: "-, ,"" """--~.'-~"",,".r..., ".!
...:, ..: ...M' :.. ,j, " .., T'" ." »0: .,. ... ..'.'.- '. 0-.' ..~ '--~'..-Gambar
2. Hubungan antara perubahan panas dan
perubahan berat yang terjadi pada
pemanasan
gel va;.
Dari gambar 2 tersebut terlihat bahwa acta 5 perubahan panas yang terjadi diikuti oleh perubahan beratnya (a, b, c, d dan e). Dua puncak yang pertama (a dan b) menunjukkan reaksi endotermis dan 3 puncak yang lain (c, d dan e) menunjukkan reaksi eksotermis. Reaksi endotermis pacta puncak yang pertama adalah merupakan indikasi hilangnya air yang menempel/terikat secara fisika yaitu pacta suhu mulai 100°C dengan puncak pacta suhu 173,37°C dan entalpi sebesar -28,45 ~voltdetik/mg. Adapun puncak kedua adalah reaksi endotermis hilangnya air kristal yang terikat secara ikatan kimia dengan puncak pacta suhu 219,87°C dengan penurunan berat 9,583 % dan entalpi sebesar -49,808 ~voltdetik/mg. Reaksi eksotermis pacta perubahan panas yang ke tiga dan ke empat merupakan indikasi hilangnya NH3 (c dan d) dengan suhu puncak pacta 302,07°C dan 419,87°C serta entalpi sebesar 105,16111voltdetik/mg dan 31,904 ~voltdetik/mg. Adapun puncak yang terakhir dengan suhu puncak pacta 535,67°C merupakan indikasi perubahan senyawa komplek amonia dari UO3.xNH3 menjadi U3Os dan sempuma menjadi UjOS pada suhu 580°C. Berdasarkan perubahan berat kurva Ta-nya, kemungkinan reaksi yang terjadi pada puncak tersebut adalah :
3 (UO3.1,4NH3) U30a + 2,1 N2 + H2O
Berdasar perhitungan data dari perubahan berat Ta-nya, maka kemungkinan senyawa gel UO3 yang kami peroleh adalah senyawa : UO3.6NH3.2HzO
c
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Umiah Penelitian Dasar Umu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000
Hidayali. dkk ISSN 0216-3128 279
.
3. BOTfS,J.L., ORNL-TM-6491, (1978)
4. HAAS,B.A., ORNL-TM-6850, (1979)
LAMPIRAN
Data dhkl pada tiap puncak yang sesuai dengan pola difraksi dim. gambar 3
Tabel 2. Data intensitas, dhkl clan FWHM pada tiap sudut 20 dari pola difraksi sam pel V03 yang telah dipanaskan pada suhu 4QO°C.
Puncak 2 0 DhkI FWHM No. dera"at A 1 65,345 1,4268 9 , 2 65,074 1,4321 11 0,840 3 58,626 1,5733 8 0,534 4 58,301 1,5813 10 0,284 5 53,479 1,7119 10 0,471 6 51,475 1,7738 42 0,759 7 50,391 1,8094 8 0,303 8 46,869 1,9368 7 0,199 9 46,111 1,9668 19 0,867 10 45,894 1,9756 18 0,903 11 43,510 2,0782 15 0,578 12 33,920 2,6405 57 0,658 13 26,010 3,4228 100 0,517 14 21,892 4,0564 8 0,433 15 21,351 4,1581 36 0,578 d
Gambar 3. Pola difraksi senyawa VOJ yang dipanaskan pada suhu 200"C(a). 400"C(b). 500"C(c) dan 600"C(d).
Oari data difraksi sinar-x terse but, secara kualitatif pola difraksi yang diperoleh dicocokkan dengan tabel Hanawalt. Pola difraksi pada pemanasan 200°C tersebut (Tabel 1 dan gambar 3a.), masih mengandung senyawa hidrat dan NH]
atau menunjukkan adanya senyawa
UOJ.xH2O.yNH] yang sesuai dengan tabel Hanawalt
no.13-340. Pada pemanasan 4000 dan 500°C,
polanya hampir sarna (ad a gambar 3b+c dan tabel 2+3 pada lampiran 1) , yang menunjukkan masih adanya senyawa UO], yang sesuai dengan tabel Hanawalt no.12-43. Pad a pemanasan suhu 600°C terlihat pola (gambar 3d dan tabel 4 pada lampiran
I) yang serupa dengan senyawa U]O. ortorombik
atau sesuai dengan tabel Hanawalt no.24-1172. Oleh karena itu, untuk memperoleh mikrobutir U]Os dari senyawa gel UO] dengan perlakuan kalsinasi dengan suhu minimum kalsinasi adalah 600°C.
Tabel3. Data intensitas, dhkl clan FWHM pada tiap sudut 20 dari pola difraksi sampel V03 yang telah dipanaskan pada suhu 500°C.
Puncak 2 0 DhkI FWHM No, dera'at A 1 65,455 1,4247 14 , 2 58,298 1,5814 18 1,391 3 53,528 1,7105 20 1,067 4 51,251 1,7810 68 0,832 5 45,938 1,9739 36 0,874 6 43,444 2,0812 19 0,668 7 33,794 2,6501 64 0,699 8 25,879 3,4399 100 0,650 9 21,216 4,1841 52 0,601 10 11892 7,4358 12 0,710
KESIMPULAN
Dekomposisi then11al gel VO3 yang dipelajari dengan alat ST A sampai suhu 700°C menunjukkan bahwa mikro butir gel VO3 terdekomposisi menjadi 5 step, dua step pertama dan kedua merupakan reaksi endoten11is hilangnya air yang menempel secara fisika mulai suhu 100°C maupun air krista! yang terikat secara kimia pad a suhu puncak 219,87°C. Dua step ketiga dan keempat merupakan reaksi eksoten11is hilangnya amonia dan step terakhir merupakan reaksi dekomposisi senyawa kompleks VO3.xNH3 menjadi V3O8. Hasil pola difraksi sinar-x menunjukkan bahwa gel VO3
yang telah dipanaskan pada suhu 600°C
memberikan indikasi terbentuknya senyawa V3O8. Oleh karena itu suhu kalsinasi gel va3 minimum adalah 600°C.
Tabel4. Data intensitas, dhkl clan FWHM pada tiap sudut 20 dari pola difraksi sampel va3 yang telah dipanaskan pacta suhu 600°C.
Puncak 2 0 D~ FWHM No. A 1 , 1,4247 29 , 2 64,696 1,4396 17 0,504 3 59,166 1,5602 14 0,535 4 58,082 1,5867 35 0,416 5 53,202 1,7202 25 0,480 6 51,467 1,7740 100 0,564 7 50,600 1,8024 27 0,506
DAFTAR
PUS TAKA
1. BISHA Y ,A.F., et all., Journal of Thermal Analisis, vol.32, 1415-1420, (1987)
2. BISHA Y ,A.F., et all., Journal of Thermal Analisis, vol.32, 1877-1881, (1987)
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000
I 20 , 45,287 43,444 33,794 25,879 21.216 Puncak
No.
8
9
10 11 12 13 Ow-~
1,9564 2,0007 2,0812 2,6501 3,4399]' 4.1841 I FWHM i (deraj.'!!!.!0.510
0.514
0.431
0,550
0,486
0.417
1110 41 20 32 84 93 75TANYA JAWAB
DC selama 2 jam, kemudian dinaikkan 70 DC, baru kemudian 100 DC. Demikianjuga waktu kalsinasinyajuga dilakukan bertahap. Fathurrachman
~ Apakah acta gel VO3 yang pecah selama proses kalsinasi dan pad a suhu berapa ?
~ Apakah masih acta kemungkinan ion nitrat acta dalam gel UO3 ?
Hidayati
~ Selama proses kalsinasi pada gel yang diperoleh memang ada sebagian yang pecah tetapi kami belum pernah memperlihatkan pada suhu berapa, karena kalsinasi dilaksanakan pada tungku yang tertutup rClpat (tanpa kaca) dan tidak bisa dilihat dari luar.
~ Sebetulnya ion nitrat dihClrClpkan telah habis pCldCl saat perendamCln dCln pencucfCln gel dengan NH1OH, namun telah diteliti oleh peneliti lain bahwa ion nitratternyata masih ada di dalam gel VOJ setelClh pencucian (dengan analisis nitrat dalam gel VOJJ. Sudarmadji
~ Bagaimana mengetahui bahwa yang hilang N2O, H2O kristal, NH3 dan mengetahui rcaksi perubahan kompleks UO3.xNI~13 menjadi U30g ?
Hidayati
-<i- Dengan menganalisis menggunakCln alaI STA, berdasarkan perubahan bcrat dan perubahan pana.s' (en/alpi)nya, didukung Clnalisis kualitatif bentuk senyawanya pada suhu-suhu yang diduga dengan alaI XRD, DCln un/uk lebih detailnya ada di makalah,
Abdul Latif
~ Didalam kalsinasi, suhu divariasi sid 600 °C, kenapa tidak dilanjutkan ke yang lebih tinggi ? karena pada suhu 600 °c masih belum total
U30s.
~ Untuk mengatasi pecahnya butiran uranium, mungkin bisa dilakukan dengan cara memperlambat kecepatan pemanasan baik pad a pengeringan maupun kalsinasi.
Hidayati
..c..
Sebe/ulnya.
peneli/ian ini bukan melllvariasi
suhu kalsinasi, /e/api memanaskan
gel hasil
pengeringan dengan varia~'i suhu 200, 400,
500 dan 600 DC kemudian dianalisis
s/ruk/ur/bentuk senyawanya
secara kualitatif
dengan XRD, dengan tujuan ingin melihat
kesesuaian
bentuk
senyaWQ yang
diperkirakan dari analisis ST A.
..c..
Memang betul apa yang diutarakan dan hal
ini juga sudah komi laksanakan yaitu
pengeringan secara bertahap mulai suhu 50
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000
