PENGARUH GARAM Al(NO
3)
3TERHADAP EKSTRAKSI
ITRIUM DARI KONSENTRAT LOGAM TANAH JARANG
AN. Bintarti, Bambang EHBPusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN
ABSTRAK
PENGARUH GARAM Al(NO3)3 TERHADAP EKSTRAKSI ITRIUM DARI KONSENTRAT LOGAM
TANAH JARANG. Telah dilakukan proses ekstraksi terhadap konsentrat itrium dari pasir senotim yang mengandung unsur-unsur itrium (Y), gadolinium (Gd) dan dysporsium (Dy) yang dilarutkan dalam asam nitrat. Dilakukan penelitian ekstraksi secara catu dari 10 ml umpan dicampur dengan 10 ml solven dan pemakaian tri butil fosfat (TBP) sebagai solven divariasi dari 10 – 100% volum, keasaman umpan dari 2 – 6 M, kecepatan pengadukan dari 100 – 600 rpm, pemakaian Al(NO3)3 dalam umpan dari 0,25 – 1,5 gr/ml
dan waktu pengadukan dari 5 – 30 menit. Kondisi ekstraksi relatif baik pada pemakaian TBP 70% volume, keasaman umpan 3 M, kecepatan pengadukan 100 rpm, pemakaian Al(NO3)3 dalam umpan 1,25 gr/ml dan
waktu pengadukan 20 menit dengan hasil pemisahan yang dinyatakan sebagai koefisiensi distribusi (Kd) itrium 0,7681 dengan faktor pisah (α) Y-Gd = 2,10 dan Y-Dy = 0,5121.
ABSTRACT
INFLUENCE OF Al(NO3)3 SALT ON THE EXTRACTION OF YTTRIUM FROM RARE EARTH
CONCENTRATE. An extraction process of yttrium concentrate from xenotime sand which contain elements yttrium (Y), gadolinium (Gd), and dysporsium (Dy) which were dissolved into nitric acid. The experiment was done batch usely by mixing 10 ml of the feed with 10 ml solvent and the use of using tributhyl phosphate (TBP) as solvent was varied from 10 – 100 % volume, acidity of the feed from 2 – 6 M, the velocity of stirring from 100 – 600 rpm, using Al(NO3)3 in the feed from 0.25 – 1.5 gr/ml and the time of
stirring from 5 – 30 minutes. The good relative extraction condition was gained at using TBP 70% volume, the acidity of the feed 1.25 gr/cc and the time of stirring at 20 minutes with the separation results as coefficient distribution of Y = 0.7681 with separation factor (α) Y-Gd = 2,10 and Y-Dy = 0,5121.
PENDAHULUAN
trium (Y) merupakan salah satu unsur logam tanah jarang yang terdapat dalam campuran sesama unsur-unsur logam tanah jarang , baik dipasir monasit maupun senotim, yang merupakan hasil samping pengolahan tambang timah di P Bangka dan P Belitung. (2, 3) Di dalam pasir monasit
itrium ada sekitar 1,34% dan dalam senotim sekitar 19,7% bersama unsur logam tanah jarang yang lain terikat sebagai senyawa komplek fosfat dan biasa ditulis sebagai ( Y, La, Ce, Nd, Th ) PO4 sedangkan
pengotor-pengotornya yaitu seperti Fe, Al Ca, Mg, Si, Ti dan Zr juga terikut sebagai komplek fosfat.
(2,3)
I
Itrium berguna diberbagai bidang industri seperti Y2O3 untuk tabung TV warna, untuk
produksi Itrium Iron Garnet (Y3Fe5O12) untuk
gelombang mikro, Y dengan logam lain dapat digunakan untuk pembuatan logam paduan yang sangat kuat, juga dipakai sebagai bahan keramik dan formula gelas yang mempunyai titik leleh tinggi
serta memberikan tahanan kejut dan karakteristik pemuaian yang rendah. NdYAl garnet adalah laser dengan 4 tingkat yang memakai medium aktif Y3AlO15.(2)
Salah satu cara untuk memisahkan unsur yang diinginkan dari campurannya adalah adalah melalui proses ekstraksi yang merupakan proses dengan dasar perbedaan daya larut unsur yang diinginkan (solut) diantara 2 fasa yang tidak saling larut yaitu fasa fasa air atau umpan dan fasa organik. Solut akan masuk dari fasa air ke dalam fasa organik, dan banyak faktor yang mempengaruhi perpindahan itu yaitu jumlah pemakaian solven, konsentrasi umpan, keasaman umpan, pemakaian penggaram berupa garam nitrat, waktu dan kecepatan pengadukan selama proses ekstraksi. (3)
Untuk menandai besarnya proses pemisahan melalui ekstraksi dinyatakan dengan koefisien distribusi (Kd) yaitu perbandingan antara konsentrasi solut dalam fasa organik terhadap
konsentrasi solut yang masih tinggal dalam fasa air. Makin besar harga Kd berarti makin besar pula solut yang dapat diambil melalui proses ekstraksi dan untuk menyatakan seberapa jauh solut terpisah dari unsur-unsur lain yang terikut yaitu melalui
faktor pisah (α) yang merupakan perbandingan Kd
solut terhadap Kd suatu unsur lain yang terikut. Besarnya solut yang dapat terekstrak dapat juga dinyatakan dengan % recovery atau efisiensi yaitu perbandingan solut yang terambil terhadap banyaknya solut dalam mula-mula dinyatakan dalam %.
Dalam penelitian ini dicoba variabel-variabel berpengaruh seperti pemakaian solven, keasaman dan konsentrasi umpan, jumlah garam Al(NO3)3 sebagai lanjutan penelitian sebelumnya
yaitu pengaruh beberapa macam garam nitrat di dalam umpan yang terbukti bisa meningkatkan hasil ekstraksi, begitu juga akan dicoba pengaruh waktu dan kecepatan selama proses. Pada proses ekstraksi memakai pelarut tributil fosfat (TBP) dalam media asam nitrat, maka apabila M+3 adalah suatu ion
logam tanah jarang, maka persamaan ekstraksinya kemungkinan adalah sebagai berikut :
M3+ + 3HNO 3 + 3TBP ⇔ M (NO3)3 3TBP + 3H + (1)
]
3
M
[
3TBP]
3
)
3
(NO
M
[
Kd
+
=
(2)lain
unsur
Kd
Solut
Kd
)
(
pisah
Faktor
α
=
(3) 100% x umpan dalam ] Solut [ terambil yang ] Solut [ ) ( Efisiensi η = (4)TATA KERJA
Bahan dan AlatBahan yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah konsentrat itrium dari pasir senotim, HNO3, garam Al(NO3)3, aquades, TBP, pengencer
kerosin, sedangkan alat yang digunakan adalah peralatan gelas, neraca analitik, dan alat pendar sinar X.
Metoda
Ekstraksi terhadap konsentrat itrium dalam media asam nitrat yang terutama mengandung unsur dari kelompok itria yaitu itrium (Y), diikuti gadolinium (Gd) dan dysporsium (Dy).
1. Variasi pemakaian TBP dalam pengencer kerosin. Larutan umpan 10 ml dikontakkan dengan 10 ml solven TBP diaduk dengan kecepatan 200 rpm, waktu pengadukan 10 menit. Sesudah itu didiamkan sebentar, hinga diperkirakan telah mencapai keadaan setimbang . Selanjutnya fasa air dipisahkan dari fasa organiknya, kemudian umpan dan fasa air ini dianalisis.
2. Pekerjaan No1. diulangi dengan variasi keasaman umpan dari 2 – 6 M, dengan % TBP dipakai kondisi terbaik dari pekerjaan No1. 3. Pekerjaan No 2. diulangi dengan variasi
kecepatan pengadukan dari 100 – 600 rpm, dengan % TBP dan keasaman umpan dipakai kondisi terbaik dari pekerjaan No1 dan No. 2.
4.
Pekerjaan No 3. diulangi dengan variasipemakaian Al(NO3)3 di dalam umpan dari 0,25
– 1,50 gr/ml, dengan % TBP, keasaman umpan dan kecepatan pengadukan dipakai kondisi terbaik dari pekerjaan No1, 2 dan 3.
5.
Pekerjaan No 4. diulangi dengan variasi waktupengadukan dari 5 – 30 menit, dengan % TBP, keasaman umpan, kecepatan pengadukan dan pemakaian Al(NO3)3, dipakai kondisi terbaik
dari pekerjaan No. 1, 2, 3 dan 4.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan berbagai variasi dalam percobaan di atas maka diperoleh hasil sebagai berikut :
Gambar 1. Pengaruh % volume TBP terhadap Kd
Dari Gambar 1 dan 2 bisa diamati bahwa semakin naik pemakaian solven yaitu TBP, maka hasil pemisahan juga semakin naik. Hal ini bisa ditinjau dari persamaan reaksinya (persamaan 1) yang menunjukkan bahwa hasil ekstraksi berbanding lurus dengan konsentrasi TBP pangkat 3 yang bisa ditulis kembali sebagai berikut :
Gambar 2. Pengaruh % TBP terhadap faktor pisah
M3+ + NO
3- + 3TBP ⇔ M (NO3)3 3TBP
M (NO3)3 3TBP = K [M3+] [NO3-]3 [TBP]3
M3+ = ion logam tanah jarang di dalam umpan
M (NO3)3 3TBP = senyawa komplek dalam fasa
organik
Pemilihan jumlah solven yang dipakai tidak hanya bisa memberikan hasil ekstraksi yang relatif paling banyak, tetapi juga dipertimbangkan pemisahan solut dari unsur-unsur lain yang terikut, sampai kira-kira pemakaian TBP 50% mulai memberikan hasil pemisahan yang meningkat. Dipilih solven 70% volume karena memberikan hasil pemisahan yang relatif baik antara Y terhadap Gd maupun Dy. Untuk pemakaian TBP yang lebih tinggi, maka faktor pisah Y terhadap Gd semakin meningkat, tetapi faktor pisah Y terhadap Dy mulai mengalami penurunan, sehingga hal ini tidak dipilih.
Gambar 3. Pengaruh keasaman umpan terhadap Kd
Gambar 4. Pengaruh keasaman umpan terhadap faktor pisah.
Dari Gambar 3 dan 4. bisa dilihat bahwa semakin naik keasaman umpan, maka hasil ekstraksi cenderung menurun, Kondisi ini berbeda dengan penelitian sebelumnya yaitu ekstraksi itrium
dibawah pengaruh garam Fe(NO3)3 yang
menunjukkan bahwa semakin naik keasaman, maka hasil ekstraksi juga semakin naik, yang dapat dilihat dari harga Kdnya. Dari pesamaan reaksi di atas dapat ditulis harga konstante kesetimbangan yaitu :
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 [TBP] ] [HNO ] [H Kd [TBP] ] ][HNO [M ] [H 3TBP] . ) [M(NO K + + + = = (5)
Ini berasal dari persamaan :
M3+ + 3HNO
3 + 3TBP ⇔ M (NO3)3 3TBP + 3H+
Pada penelitian ini ada hubungannya dengan konsentrasi itrium di dalam umpan yang mungkin lebih rendah jika dibandingkan penelitian sebelumnya yaitu dibawah pengaruh garam Fe(NO3)3. Dalam hal ini terkait konsentrasi umpan
yaitu konsentrasi yang lebih kecil, maka hanya memerlukan keasaman yang juga lebih rendah sudah cukup mencapai stoichiometri dan untuk keasaman yang meningkat, hasil ekstraksi malah
semakin turun dengan bertambahnya ion H+ dalam
larutan akan menyebabkan reaksi bergeser ke kiri, ke arah reaktan yang bisa dilihat dari persamaan di atas, sehingga harga Kd mengalami penurunan. Pada penelitian sebelumnya, konsentrasi umpan yang dipakai lebih tinggi, sehingga memerlukan ion-ion nitrat yang lebih banyak antara lain dengan bantuan pemakaian garam-garam nitrat antara lain Fe(NO3)3 dalam umpan, disamping juga dengan
cara menaikkan keasamannya. Semakin naik keasaman umpan maka hasil juga akan semakin bertambah besar sampai kira-kira mencapai stoichiometri, kemudian berangsur turun karena dalam larutan umpan terjadi kelebihan jumlah ion
H+ yang menyebabkan reaksi bergeser kearah kiri
yaitu kearah reaktan. Dari Gambar 3 dan 4 dipilih keasaman umpan 3 M sebab pada kondisi ini memberikan harga-harga faktor pisah relatif lebih tinggi untuk itrium terhadap unsur lain yang terikut, yaitu faktor pisah itrium terhadap Gd = 0,5750 dan terhadap Dy = 0,5775.
Penelitian untuk memvariasi pengadukan perlu dilakukan, sebab diperkirakan mempengaruhi hasil ekstraksi yang juga merupakan peristiwa difusi, selain peristiwa kimia dalam pembentukan komplek dari dua fasa yang tidak saling campur. Pengadukan diberikan kepada sistem dengan tujuan untuk menebarkan zat cair yang mengandung solut ke dalam zat cair lain yang tidak atau sukar bercampur, sehingga bisa memberi kontak fasa yang sebesar-besarnya, yang mengakibatkan hasil
ekstraksi meningkat. Kecepatan pengadukan yang semakin tinggi menyebabkan terbentuknya butir-butir cairan yang semakin kecil ukurannya, sehingga luas bidang kontak semakin besar untuk melakukan kontak fasa. Besarnya pengadukan tergantung pada total volume dari cairan yang dicampur, juga oleh kekentalan sistem dan tegangan antar muka antara fasa organik dan fasa cair. Dari pecobaan ini dapat dilihat dari Gambar 5 dan 6 bahwa kenaikan kecepatan pengadukan memberikan kenaikan hasil yang berarti untuk Dy tetapi untuk Y dan Gd kenaikan tidak begitu signifikan. Hal ini mungkin disebabkan karena volume sistem yang diaduk relatif sedikit, yaitu hanya 20 ml, yang mungkin hanya memerlukan kecepatan pengadukan sampai kira-kira 100 rpm, memberikan faktor pisah Y terhadap Gd dan Y relatif tinggi jika dibandingkan pada kecepatan lain yang lebih besar. Meskipun hasil ekstraksi lebih rendah tetapi memberikan faktor pisah relatif lebih tinggi.
Gambar 5. Pengaruh kecepatan pengadukan terhadap Kd
Gambar 6. Pengaruh kecepatan pengadukan terhadap faktor pisah.
Penambahan elektrolit ke dalam sistem larutan berair (umpan) dimaksudkan untuk meningkatkan hasil ekstraksi. Peristiwa penambahan elektrolit ini disebut “Salted Out” dan dalam penelitian ini dipakai garam Al(NO3)3.
Garam nitrat ini akan menyumbang ion nitrat di
dalam larutan, sehingga lebih mendorong unsur untuk masuk ke dalam fasa organik, karena terbentuknya komplek. Dengan penambahan elektrolit berupa Al(NO3)3 atau memakai
garam-garam nitrat yang lain, maka efisiensi itrium akan
meningkat karena kekuatan ionik (µ) dalam umpan
meningkat. Ekstraksi itrium membutuhkan konsentrasi ion nitrat dalam larutan umpan yang relatif cukup, sebab ekstraksi itrium dipengaruhi dan dibantu oleh efek garam. Dari Gambar 7 dan 8 dipilih pemakaian Al(NO3)3 sebanyak 1,25 gr/ml
dengan alasan menghasilkan faktor pisah antara itrium terhadap Gd dan Dy relatif tinggi, jika dibandingkan pada pemakaian Al(NO3)3 untuk
harga-harga yang lain.
Gambar 7. Pengaruh garam Al(NO3)3 terhadap
Kd
Gambar 8. Pengaruh garam Al(NO3)3 terhadap
faktor pisah.
Gambar 9. Pengaruh waktu pengadukan terhadap Kd
Gambar 10. Pengaruh waktu pengadukan terhadap faktor pisah.
Dari Gambar 9 dan 10 dapat di jelaskan sebagai berikut : dua fasa yang tidak saling larut di dalam proses ekstraksi, maka disamping membutuhkan pengadukan juga membutuhkan waktu yang cukup untuk mengontakan ke dua fasa supaya perpindahan solut dari fasa air ke fasa organik bisa lebih efektif. Semakin lama waktu yang diberikan, maka hasil ekstraksi cenderung mengalami peningkatan sampai mencapai suatu keadaan dimana pertambahan waktu yang diberikan tidak memberikan tambahan hasil yang berarti dan ini kira-kira sampai pencapaian waktu ekstraksi 20 menit. Untuk waktu sepanjang itu meskipun harga Kd itrium yang dihasilkan lebih rendah jika dibandingkan dengan pengadukan kurang dari 20 menit, tetapi perbedaan itu kurang berarti, lebih lagi pada 20 menit, memberikan faktor pisah yang relatif lebih tinggi untuk itrium terhadap Gd dan Dy. Pada pengadukan 10 menit memberikan faktor pisah antara Y terhadap Gd paling tinggi tetapi terhadap Dy lebih rendah jika dibandingkan dengan pengadukan untuk waktu-waktu yang lain sehingga tidak dipilih.
KESIMPULAN
Dari percobaan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa ekstraksi itrium dari konsentrat logam tanah jarang dari pasir senotim dibawah pengaruh Al(NO3)3 memberikan kondisi
relatif baik yaitu untuk pemakaian TBP sebagai solven pada 70% dalam pengencer kerosin, keasaman umpan 3 M, kecepatan pengadukan 100 rpm, pemakaian Al(NO3)3 1,25 gr/ml dan waktu
pengadukan 20 menit memberikan koefisien distribusi (Kd) Y = 0,7681 dan faktor pisah (α) Y-Gd = 2,100 ; Y-Dy = 0,5121.
DAFTAR PUSTAKA
1. PRAKASH. S., “ Advanced Chemistry of Rare Earth Element”., 4 ed , S. Chand. Co. Ltd., New Delhi (1975).
1. SISWOTO., “ Pemisahan Itrium dari Pasir Senotim Secara Kromatografi Kolom Penukar Ion dengan EDTA sebagai Eluen “., Jurusan Teknik Nuklir, FT-UGM, Yogyakarta. (1989). 2. NINIK BINTARTI. A, BAMBANG EHB.,
“Ekstraksi Unsur-unsur Dalam Konsentrat Nd
dari Pasir Monasit dengan Pengaruh NaNO3 di
dalam Umpan “., JASA KIAI, (2004).
3. HANSON.C., Recent advanced in Liquid-liquid Extraction., Pergamon. Press, Oxford. (1971).
4. LESTER L.K., MORTON.S and FH SPEDDING., Solvent Extraction Equilibria For Rare Earth Nitrate-Tributyl Phosphate System., ISC-766 USAEC , USA (1956). 5. RITCEY GM and ASHBROOK AW., Solvent
Extraction., ESPC, New York. (1979).
6. TIPTOP C.R. JR., Reactor Hand Book., Vol 1., Material s, Interscience Publisher, Inc. New York (1960).
7. HUNG;TM., HORNG, J.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).
TANYA JAWAB
SunardjoApakah pertimbangan penggunaan garam Al(NO3)3 dalam penelitian ini ? Mohon
dijelaskan
A.N. Bintarti
Pemakaian Al(NO3)3 dalam umpan mempunyai
tujuan untuk meningkatkan hasil ekstraksi. Hal ini disebabkan dengan penambahan atau elektrolit mengakibatkan kekuatan ionik dalam fasa air meningkat yang akan menyebabkan turunnya koefisien aktivitas ion logam. Keadaan ini akan meningkatkan konsentrasi logam dalam fasa air sehingga menyebabkan kesetimbangan reaksi bergeser ke kanan.
Hidayati
Sampai berapa % Itrium maximum dapat terekstrak pada akhir reaksi (akhir proses) dibandingkan dengan konsentrat maupun batuan?
Juga dibandingkan dengan pustaka terbaru yang diperoleh ?
A.N. Bintarti
Di dalam pasir monasit ± 1,34 % , di dalam senotim ± 19,70 % , dalam konsentrat yang pernah dikerjakan ada ± 46 % - 85,6 %. Dalam penelitian ini dicoba untuk meningkatkan
kadarnya. Disini Itrium yang dapat terekstrak ±
43,44 % dari umpan yang dipakai apakah dari kadar 46 % atau yang lebih tinggi. Hasil dapat ditingkatkan dengan melakukan ekstraksi lagi (bertingkat) dan untuk lebih memurnikannya lagi hasil ekstraksi dikenakan proses melalui kolom penukar ion mengingat unsur-unsur logam tanah jarang mempunyai sifat-sifat kimia yang mirip sehingga sukar untuk memisahkannya.
Yang bisa dilakukan adalah meningkatkan kadar setinggi-tingginya, lebih tinggi dari yang telah dicapai selama ini, sedangkan hasil dipasaran yang diperoleh ± 99,9 %.
