50
4g.
Bllk/lJIPrositling Perlellon tlon Presentasi IImioll PPNY-BATAN Yogyokorta 15-17 Apri/1995
ISOLASI DAN PEMISAHAN Sm, Gd, Dy DENGAN CARA
EKSTRAKSI
Dwi Biyantoro, Fonali Lahagu, Kris Tri Basuki, Tri Handini, Rosyidin PPNY-BATAN,Jf. Babarsari P.D.Box 1008 Yogyakarta55010 .
ABSTRAK
ISOLASI DAN PEMISAHAN Sm, Gd. Dy DENGAN CARA EKSTRAKSI. Telah dilakukan penelitian isolasi/pengambilan itrium OJdan pemisahan Sm, Gd, Dy dengan cara ekstraksi. Langkah-langkah yang harus dikerjakan pada percobaan ini yaitu : pembuatan konsentrat oksida logam tanah jarang, pelarutan, isolasi itrium, dan pemisahan Sm, Gd, Dy. Langkah awal dikerjakan dengan cara dijesti pasir xenotim, ekstraksi, pelarutan, penyaringan, pengendapan, pembakaran sampat terbentuk oksida logam tanah jarang. Tahap kedua yaitu isolasi itriwrl (Y), stripping dan kalsinasi sampai terbentuk oksida itrium. Selanjutnya pada tahap ketiga adalah pemisahan Sm, Gd, Dy dengan cara ekstraksi, menggunakan metode ekstraksi cair-cair memakai ekstraktan D2EHPA dan pelarut dodekan. Hasil yang diperoleh pada percobaan ini yaitu kadar oksida itrium = 88,71%. Kondisi optimum pemisahan Gd/Dy yaitu : molaritas .asam nitrat
=
0,5 M, wakiu ekstraksi = 15 menit, dan konsentrasi ekstraktan 30% D2EHPA dalam dodekan. Pada kondisi ini diperoleh nilai koefisien distribusi (Kd) Gd= 2,226,Kd Dy = 3,762,faktor pemisahanGd/Dy=
0,592.ABSTRACT
THE ISOLATION AND THE SEPARATION OF Sm, Gd, Dy BY EXTRACTION. The isolation of yttrium and separation ofSm, Gd,DY with extraction has been investigated. The steps of theprocess include of this research were the production the concentrate of lantanide, the dilution, the isolation of yttrium, and the separation of the Sm, Gd, Dy. Thefirst step was the digestion of xinotime sand, the extraction, the dilution, the filtration, the precipitation, the bakingproduction a lantanide oxide. The step was the separation ofyttrium, the stripping, and the calcinationproduction ofyttrium oxide. And the thirdprocess was the separation of Sm,Gd,Dy by extraction process using methode liquid:liquid extraction with extractant of D2EHPA and a solvent of dodecane. From the result have been found concentration of yttrium oxide = 88,71 %. The optimum condition of the separation of Gd/Dy have been found: the concentration of HNO3 = 0,5 M, time of extraction = 15 minutes, and the concentration of extractant
=
30% D2EHPA in dodecane. The results of this condition were the distribution coefficient ofGd = 2,226, the distribution coefficient ofDy = 3.762, and the separationfactor ofGd/Dy = 0,592.PENDAHULUAN
P
asir xenotim adalah senyawa- logam tanah jarang fosfat, (Y,Ln)PO4 yang merupakan sumber utama itrium (Y) sebagai bahan unggul clan logam tanah jarang atau lantanida (Sm,Gd,Dy) sebagai bahan nuklir(I.2).Untuk mcmisahkan Sill, Gd, Dy terlebih dahulu harus diisolasildipisahkan itriumnya sebagai sumber mayor, barn kemudian memisahkan unsur Sm,Gd,Dy.
Itrium yang telah dipisahkan diproses lebih lanjut menjadi itrium oksida dengan cara di~ambah as am oksalat clan dilanjutkan dengan proses kalsinasi pactasuhu 1000 °C.
. Diketahui bahwa pemisahan individual lantanida (Ln) sangat sukar, karena mempunyai sifat kimia yang hampir sarna antara yang satu dengan yang lain. Teknik ekstraksi cair-cair clan pertukaran ion adalah yang paling sesuai untuk pemisahan logam tanah jarang(3).
Proses ekstraksi cair-cair untuk pemisahan unsur-unsur logam tanah jarang sering menggunakan D2EHPA (di 2 ethylhexyl phosphoric acid). Pactakeasaman rendah reaksi keseimbangan proses ekstraksi dapat ditulis sebagai (4):
Ln+3(aq) + 3 (HX)2(org) ~ LnX6H3(org) + 3 H (aq)
reaksi keseimbangan pactakeasaman tinggi : 3 Ln+3(aq) + 3 NO) (aq) + 9/2 (HXMorg) ~ 3LnX6NO33HX(org) .
Prosiding Patel/an dun Preselltasi lllllia/z
PPNY-BATAN Yogyakarta 15-17 Apri/1995 Bllkl/lI 51
HX : DzEHPA
aq : aqueous phase (fase cair) org : organic phase (fase organik)
Sampai saat ini teknik ekstraksi pelarut terns dikembangkan dalam industri. Ekstraktan yang secara luas sering digunakan untuk ekstraksi unsur-unsur lantanida yaitu DzEHPA, TBP clan amin{S).
Pelarut organik yang sering dipakai untuk ekstraksi unsur-unsur logam tanah jarang dalam campuran ekstraktan adalah dodekan, kerosen, clan toluen.
Kadar individual logam tanah jarang dapat ditentukan menggunakan alat spektrofotometer, analisis pengaktifan netron, alat pendar sinar X clan lain-Iain{6).
Keofisien distribusi, Kd untuk logam tanah jarang didifinisikan sebagai perbandingan
konsentrasi logam tanahjarang dalam rase organik dibagi dengan konsentrasi logam tanah jarang dalam rase air setelah mencapai kes~imbangan. Secara matematik dapat ditulis, sebagaj<1)
Kd = ~~
dengan
Co: konsentrasi dalam rase organik Ca : konsentrasi dalam rase air
Faktor pemisahan (FP) yaitu perbandingan koefisien distribusi dari dua logam M clanN. Secara matematis ditulis sebagai :
F P
=
~~
~Penelitian ini bertujuan mendapatkan itrium oksida clan pemisahan Sm,Gd,Dy dengan cara ekstraksi memakai ekstraktan DzEHPA clan pengencer dodekan.
BAHAN DAN TAT A KERJA
Bahan: Ekstraktan: D2EHP A Di-(2-:-etilheksil)-fosfat p = 0,97 kg/I Dodekan p = 0,73 kg/I Pasir xenotim HzCzO4NaOH .HNOJ NH4CI HCI "NH4OH Salven Perala tan :Alat pendar sinar
-
XTimbangan analitik Eksikator Alat-alat gelas Corong pisah pH meter Furnace suhu tinggi Pengaduk magnetik Almari asam Stop watch Komputer
Cara kerja :
Pembuatan larutan umpan.
Pasir xenotim ukuran 100-200 mesh sebanyak 100 gram ditambah natrium hidroksida berat 300 gram didijesti pada suhu 140 °C selama 3 jam. Luluhan dicuci dengan air clan amonium klorida untuk menghilangkan fosfatnya. Konsentrat basil pencucian kemudian dilarutkan dengan asam klorida clan dilanjutkan dengan p'enyaringan. Filtrat yang diperoleh diendapkan dengan asam oksalat. Endapan kemudian dibakar pada suhu 650 °C, Untuk mendapatkan larutan umpan dibuat dengan cara melarutkan residu kering basil pembakaran dengan asam nitrat. Kadar Y,Sm,Gd,Dy dalam larutan diukur konsentrasinya
dengan alat pendar sinar
- X.
Isolasi itrium (Y).
Itrium dalam larutan umpan dipisahkan dengan cara ekstraksi umpan dengan 30% DzEHPA dalam dodekan pada perbandingan volum umpan clan organik
=
1 : 1 selama 15 menit pada kecepatan pengadukan 650 rpm. Setelah terjadi keseimbangan dipisahkan memakai corong pis"ah antara rase air clan fa~e organiknya. Konsentrasi Y,Gd,Sm,Dy dalam rase air dianalisis memakai alat pendar sinar- X. Faseorganik(itriumorganiknitrat) diproses lebih lanjut menjadi oksida itrium melalui proses re-ekstraksi clan kalsinasi. Untuk mengetahui kemurnian itrium dianalisis memakai alat pendar sinar
- X.
P,emisahanSm,Gd,Dy.
Fase air basil ekstraksi tahap I di alas, kemudian dicoba dipisahkan Sm,Gd,Dy dengan cara ekstraksi tahap II memakai DzEHPA clan dodekan. Parameter yang dicoba yaitu : konsentrasi asam nitrat, waktu ekstraksi, clan konsentrasi DzEHPA dalam didekan.
52 BlIkllI/
Prosiding Pertellan dun Presentasi llmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Jarutan umpan.Dari basil anaJisis tarutao umpan diperoleh kadar LTJ sebagai berikut
Y =39.532,97 ppm Sm =232,91 ppm Od =2.237,34 ppm Dy = 1.379,32 ppm Isolasi itrium (Y).
Larutan umpan kemudian diekstraksi dengan 30% DzEHPA daTI70% dodekan pacta perbandingan volum = 1: 1 selama 15 menit, molaritas asam nitrat = 0,5 M, pacta kecepatan
pengadukan
=
650 rpm. Kemudian rase air daTIraseorganiknya dipisahkan.
Hasil analisis rase air diperoleh kadar LTJ :
Od = 1.657,44 ppm Dy = 219,25 ppm
Berdasarkan basil analisis di alas ditunjukkan bahwa semua itrium dapat terekstrak ke rase organik. Demikian pula tampak bahwa dalam rase air Sm juga tidak nampak, hal ini menunjukkan bahwa Sm juga tertarik dalam rase organik.
Fase organik berupa itrium organik nitrat kemudian ditambah dengan asam oksalat 1,5 M dengan perbandingan volum = 1 : 1.Endapan itrium oksalat kemudian dipisahkan dengan disaring. Endapan ini selanjutnya dikalsinasi pactasuhu 1000 °C, selama 3 jam. Hasil kalsinasi berupa oksida itrium dengan kadar = 88,71 %.
Pemisahan Gd,Dy.
Filtrat basil ekstraksi lahar I dipakai sebagai umpan ekstraksi lahar II. 'yariabel yang dicoba yaitu : .
-
molaritas asam nitrat-
waktu ekstraksi-
konsentrasi D2EHPA Umpan dengan kadar :Od = 1.657,44 ppm Dy =219,25 ppm
Hasil percobaan selengkapnya disajikan pactalabel 1.
pengaruh molaritas asam nitrat.
Dari label 1 ditunjukkan bahwa pengaruh konsentrasi asam nitrat sangat besar. Semakin tinggi konsentr~i asam nitrat maka nilai Kd Od daTI
Tabell. Pengaruh Molaritas Asam Nitrat terhadap nilai Kd dan FP
Pcrband. volum umpan dan organik
=
1 : 1Fasc organik
=
300/0 D2EHPA & 70%dodckan
Waktu ekstraksi
=
15 men itKd Dy semakin rendah, demikian pula faktor pemisahannya cenderung juga turun. Hal ini menunjukkan bahwa pembentukan komplek Ln+3 dengan DzEHPA dalam media asam nitrat adalah didasarkan pactaekstraksi pertukaran kation, sesuai dengan persamaan reaksi keseimbangan :
Ln3+(aq) + 3 (HX)z(org) ~ LnX6H3(org) + 3 H (aq)
Dari persamaan reaksi di alastampak bahwa apabila keasaman larutan bertambah, maka reaksi bergeser kekiri, hal ini mengakibatkan nilai Kd menjadi tumn. Tampak bahwa terjadi mekanisme ekstraksi pertukaraan kation dikarenakan Ln sebagai logam menggantikan H pacta HX (DzEHPA). Pacta mekanisme ini dapat dilihat bahwa pacta konsentrasi HNO3 tinggi (setelah 6 M) tidak terpengaruh terhadap koefisien distribusi Od daTI Dy, sebagai bukti bahwa sangat kecil anion X-bebas dalam tarutao
Kondisi optimum yang baik diperoleh pacta molaritas asam nitrat = 0,5 M. Pacta keadaan ini diperoleh nilai Kd Od = 2,226, Kd Dy = 3,762 daTI faktor pemisahan Od/Dy = 0,592.
Pengaruh Waktu Ekstraksi.
Dari label 2 ditunjukkan bahwa fungsi waktu berpengaruh terhadap nilai Kd daTIfaktor pemisaban. Pacta me,nit ke satu sampai ke 10 tampak bahwa keseimbangan belum iercapcii,hal "
ini ditandai dengan kenaikkan yang cukup tajam.
HNO3 Kd FP M Gd Dy GdI Dy 0,5 2,226
.
3,762.
0,592.
I
1,500 3,000 0,500 2 0,428 0,961 0,445 4 0,053 0,176 0,301 6 0,108 0,250 0,432 8 0,099 0,288 0,344 10 0,094 0,250 0,376 12 0,116 0,342 0,339Prosiding Pertellan dun Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN Yogyakarla 25-27 Aprill99~
Tabel 2. Pengaruh Waktu Ekstraksi terhadap nilai Kd daD FP.
Konsentrasi asam nitrat
=
0,5MPerband. volum umpan daD organik
=
1 : 1Fase organik
=
30% D2EHPA & 70%dodekan
Kecepatan pengadukan
=
650 rpmBaru setelah menit ke 15 su.dah dicapai keseimbangan seperti disajikan dalam tabel 2 di atas. Waktu di atas 15 menit sudah mulai stabil, sehingga tidak begitu berpengaruh terhadap nilai Kd daTI FP. Berdasarkan basil percobaan ini diperoleh kondisi optimum yaitu : molaritas asam nitrat = 0,5 M daTIwaktu ekstraksi selama 15 menit.
pengaruh Konsentrasi Ekstraktan. Evaluasi tabel 3 sebagai beriJ...'ut
Ln3\aq) + 3 (HXh(org) ~ LnXJh(org) + 3 H+(aq)
K
-
Ln X3(HX)3 (H +) 3ex
-
Ln (IIX) 32K
=
Kd (H+) 3-
K d=
Kex ( HX )32ex (HX) 32 (H +)3
Dari data dalam tabel 3 di atas dapat pula disajikan dalam bentuk gambar 1.
Dari gambar 1diperoleh nilai slope (a)Gd = 1,2 daTI a Dy = 0,5, secara tearitis menurut persamaan slopenya ':" 3, hal ini diperkirakan adanya campuran komplek logam dengan HX daTI logam dengan (HX)2 (dimerisasi)
Dari tabel 3 daTI gambar 1 ditunjukkan bahwa kondisi konsentrasi D2EHPA dalam dodekan sangat berpengaruh terhadap kemampuan pemisahan GdlDy. Semakin tinggi konsentrasi D2EHP A maka semakin besar kemampuan pengambilan Gd daTIDy, sehingga mengakibatkan.
nilai Kd semakin besar. Setelah mulai konsentrasi
Bllkll /I 53
Tabel3. Pengaruh Konsentrasi Ekstraktan
terhadap nilai Kd daD FP. Konsentrasi asam nitrat
=
0,5 M Waktu ekstraksi = 15 menitPerband. volum umpan daD organik =
1: 1
Kecepatan pengadukan
=
650 rpmekstraktan 30% D2EHPA ditunjukkan bahwa nilai Kd daTIFP nya sudah mulai stabil, kenaikkannya kecil sekali, di atas nilai ini dipandang daTi segi ekonomi sudah tidak menguntungkan lagi. Kondisi optimum pada pemisahan GdiDy berdasarkan ketiga variabel tersebut di atas diperoleh basil sebagai berikut : molaritas asam nitrat = 0,5 M, waktu ekstraksi = 15 menit, daTI konsentrasi D2EHPA30% dalam dodekan.
0.5LogKd 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.5 -0.8 ~-\.82 -0.42 -0.05 0.40 0.58 0.80 LogIHxl2
-
Gd -+- DrGambar1. Hubungan antara konsentrasi D2EHPA da/am dodekandengan Koefisiendistribusi(Kd).
HASIL DAN KESIMPULAN
Dari percobaan di atas dapat diambil kesimpulan bahwa ekstraksi tahap I dapat
HNO3 Kd FP M Gd Dy Gd/Dy I 0,342 0,898 0,381 5 1,195 2,619 0,456 10 1,857 3,334 0,557 15 2,226. 3,762. 0,592. 20 2,218 3,828 0,579 308 2,241 3,630 0,617
Rasio Log kons FP
Kd D2EHPA D2EHPA Gd I Dy Dodekan moll 1 .Gd Dy 5: 95 -0,81 -0,89 -0,13 0,173 10: 90 -0,51 -0,25 0,20 0,360 20: 80 -0,21 0,12 0,43 0,491 30: 70 -0.03 0,35. 0,58. 0,592. 50: 50 0,20 0,35 0,56 0,618 70: 30 0,34 0,36 0,56 0,620
54 BuklllI
Prosiding Perteuo/l don Presentasi /In/jolt PPNY~BATAN Yogyokorta 15-17 April 1995
mengisolasi itrium (Y)
= 100%.
Pactaprosesselanjutnya diperoleh kadar itrium oksida = 88,71%. Berdasarkan pengolahan filtrat (fase air hasil ekstraksi I) pada ekstraksi tahap II diperoleh hasil optimum sebagai berikut : nilai koefisien distribusi (Kd) Gd = 2,226 , Kd Dy = 3,762, clan Faktor pemisahan (FP) Gd/Dy = 0,592 pacta kondisi konsentrasi asam nitrat = 0,5 M, waktu ekstraksi = 15 meDii, konsentrasi 30% D2EHPA dalam dodekan pactakecepatan pengadukan 650 rpm.
UCAP AN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdr. Purwoto yang telah membantu dalam penelitian ini.
DAFT AR rUST AKA
1. BENEDICT, M., PIGFORD, T.H., AND LEVI, H.W., Nuclear Chemical Engineering, Second Edition, McGraw-Hill Book Company, New York (1981). 2. TOPP, N.E., The Chemistry of the
Rare-Earth Elements, Elsevier, Publishing Company, New York. 2. BAUER, D.I., RICE, A.C., AND BERBER, I. S., Liquidliquid Extraction of Rare-Earth Elements, 1960, United States Departement of the Interior, Washington (1965). 3. MOORE, C.M., Rare Earth' Element and
Yttrium, Mineral Commodity Profiles, Bureau of Mones, United States Departement of the Interior, Washington ( 1979).
4. SATO, T., "The Extraction of Uranium (VI), Yttrium (III) and Lantanum (Ill) from Hydrochloric Acid Solution by Acid Organophosphorus Coumpounds", Proceedings of the International Symposium on Actinide/Lantanide Separations,
Honolulu (1984). .
5. HUNG, T.M., HORNG, I.S., AND HOH, Y.C., "Stripping Rare Earth From Its Loaded Di (2-ethyl hexyl) Phosphate Complex By Oxalic Acid", Chemical
Engineering Division Institute of Nuclear Energy Research, Taiwan (1991).
6. WINGE, R.K., FASSEL, V.A., PETERSON, V.J., AND FLOYD, M.A., Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrocopy, Ames Laboratory, Ames, New York (1985).
7. PEPPARD, D.F., "Fractination of Rare Earth By Liquid-Liquid Extractions Using Phosphorus Based Extractant", Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Progress in The Science and Technology of The Rare Earth, Pergamon Press (1964).
TANYAJAWAB
Susana TS
Apakah ado ekstraktan lain yang bisa dipakai, selain D2EHPA don pelarut dodekan, don apa kepanjangan dari D2EHPA ?
Dwi Biyantoro
Ada, yaitu ekstraktan TBP, MIBK, TOA. Pelarut yang lain yaitu kerosen clantoluen. D2EHPAyaitu di-(2-etil heksil)-fosfat. Kris Tri Basuki
Untuk menambahkan bahwalungsi isolasi Y adalah proses tahap J, pemurnian Y, sehingga mendapat konsentrasi Y2O3
=
88,71 %. Kemudian dapat dilakukan proses selanjutnya (penukar ion) untuk mendapatkan konsentrasi tinggi
Dwi Biyantoro
Saran agar Y2O3= 88,70 % yang diperoleh dilakukan proses selanjutnya untuk mendapatkan konsentrasi tinggi. saran yan~ baik bisa dikerjakan pactatahap berikutnya. Pada penelitian ini difokuskan untuk pemisahan Sm, Gd, Dy
