PEMBUATAN Zr02 DENGAN PENGENDAPAN LARUTAN STRIPPING SECARA CATU DARI BERBAGAI KEASAMAN DAN VOLUME

PEMBUATAN Zr02 DENGAN PENGENDAPAN LARUTAN STRIPPING SECARA CATU DARI BERBAGAI KEASAMAN DAN VOLUME

SAJIMA *, EUN NURAINI*, ARI HANDAYANI**

* Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BA TAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101/YKBB Yogyakarta 55281Telp. (0274) 488435 , **Pusat Teknologi Bahan lndustri Nuklir-BATAN

Kawasan Puspitek Serpong Tangerang 15310 Banten, Telp. (021)7560926

Abstrak

PEMBUATAN Zr02 DENGAN PENGENDAPAN LARUTAN STRIPPING CATU DARl BERBAGAI KEASAMAN DAN VOLUME Telah dilakukan pembuatan zirkonium dioksida dengan pengendapan larutan stripping secara catu dari berbagai keasaman dan volume. Penelitian ini merupakan gabungan antara proses stripping dan pengendapan dengan ekstrak zirkonium yang dipakai sebagai umpan. Proses ekstraksi dilakukan secara catu, kemudian ekstraknya distripping dengan larutan asam sulfat. Fase air yang diperoleh diendapkan denganNH40H 12,5 %.Endapan yang didapat dikeringkan kemudian dikalsinasi. Padatan yang diperoleh dianalisis kandungan zirkoniumnya dengan metode AANC (Analisis Aktivasi Neutron Cepat) dan hafnium dengan SEM EDAX. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh keasaman dan perbandingan volume pada stripping terhadap zirkonium yang terambil. Kondisi optimum dihasilkan pada keasaman 0,2 N dan perbandingan volume umpan dengan asam sulfat sebesar

1 :

0,5. Pada kondisi ini diperoleh Zr02 dengan kadar Zr71,595 %dan hafnium 4,100%.

Kata-kata kunci: Zr02, catu, stripping

Abstract

PRODUCTION OF Zr02 BY BATCHWISE PRECIPITATION OF STRIPPING SOLUTION FROM VARIOUS OF ACIDITY AND VOLUME. Production of Zr02 by batchwise precipitation of stripping solution from various acidity and volume has been done. This research is a combination of stripping and precipitation with zirconium extract used as thefeed. Extraction process was undertaken batchwise, then the extract was stripped by sulfuric acid solution. The obtained rajinate was precipitated by12.5 %ofNH40H.

The obtained precipitant was dried and then calcinized. Zirconium content of the obtained precipitant was analyzed using Fast Neutron Activation Analysis (FNAA) and hafnium by SEM EDAX. The aim of this research is to study the influence of acidity and volume ratio of stripping on the recovery of zirconium. The optimum condition was achieved at the acidity of 0.2 N and volume ratio of feed with sulfuric acid of1 :0.5.

In this condition the content ofZr in Zr02 was 71.595 %and the hafnium was 4.1O%.

Keywordsi: Zr02, batch, stripping PENDAHULUAN

Pasir zirkon apabila diolah lebih lanjut mempunyai peranan yang sangat luas dalam berbagai bidang industri. Dalam bidang industri

nuklir, bahan ini dapat diolah menjadi logam yang berguna sebagai struktur reaktor atau kelongsong bahan bakar nuklir, karena mempunyai sifat yang unggul seperti[l] tahan terhadap sOOu tinggi, tahan terhadap korosi,

s

FXf + SXs = EXe + RXr (2) Reekstraksi

reaksi, sehingga dalam keadaan ini akan terjadi dua macam kejadian yaitu perpindahan massa dan reaksi kimia. [7]

Gambar 1. Bagan Proses Ekstraksi dan Re Ekstraksi

Neraea massa pada bagan tersebut di atas dapat ditulis. [7]

Ekstraksi:

Neraea massa total

(1)

(4) F+S=E+R

ZrO++ +2H+ +4N03 +2TBP

~ Zr(N03)4 .2TBP +H20 Neraea massa komponen

EXe + StXst = OXo + Axa (3) Dengan :

F : umpan

St : fase air stripping R : Rafinat

S : solven

o :

solven bekas

A : fase air hasil stripping E : Ekstrak

X : konsentrasi

Umpan (feed) yang dipakai pada

penelitian ini adalah larutan ZrHfO(N03)z hasil proses sebelumnya. Pe1arut (solven) dalam ekstraksi digunakan larutan TBP-Kerosen dengan perbandingan (30/70) sedangkan larutan pemungut (larutan untuk stripping) adalah asam sulfat (HzS04). Mekanisme reaksi yang terjadi pada proses ekstraksi diduga sebagai berikut:[S]

Proses ekstraksi eair-eair adalah salah satu proses untuk memisahkan komponen- komponen tertentu di dalam eairan dengan menggunakan zat pelarut dan pengeneer.^[5]

TBP-Kerosen secara luas digunakan dalam proses ekstraksi pelarut untuk memisahkan unsur-unsur fisil maupun fertil[6]Kerosen dalam perdagangan terdiri atas campuran hidrokarbon, parafin, olefin, dan aromatik. Ekstraksi ini dapat dikerjakan dengan sistem eatu atau kontinyu dan keduanya[7]·Pada proses ekstraksi ada dua fase yang bersentuhan sebelum terjadi mempunyai serapan neutron yang keeil (0,18- 0,2 barn), dan menaikkan sifat fisik terhadap logam paduannya. Dalam industri non nuklir, zirkonium berperan dalam industri keramik, cat (pigmen), semi konduktor dan pelapisan perangkat keras seperti turbin. Oksida zirkonium apabila dipadukan dengan oksida logam lainnya dapat digunakan sebagai bahan elektrolit oksida dalam Sel Bahan Bakar Oksida padat.^[Z] Bahan ini merupakan penghantar ionik yang baik.

Pemumian zirkonium dari berbagai unsur-unsur pengotor dapat dilakukan dengan berbagai eara antara lain ekstraksi eair-eair dan pengendapan. Usaha-usaha untuk mendapatkan zirkonium hidroksida telah dilakukan oleh beberapa peneliti, antara lain Pumomo pada tahun 198i3] melakukan pengendapan zirkonium hidrokdida dengan mereaksikan zirkonium sulfat dengan ammonium hidroksida.

Pada 'penelitian itu hampir seluruh zirkonium dalam zirkonium sulfat dapat diendapkan sebagai zirkonium hidroksida pada pH 7-8.

Endapan zirkonium hidroksida apabila dikalsinasi akan berubah menjadi zirkonium dioksida (ZrOz).[4]

Kemumian produksi zrOz sangat berpengaruh pada pemanfaatannya. Pene1itian ini sebagai tahap pertama untuk memastikan terambilnya zirkonium dan terpisahnya hafnium dari hasil stripping untuk proses eatu. Hal ini dilakukan karena pada penelitian terdahulu (ekstraksi dan stripping) dengan beberapa tingkat untuk proses pengendapannya tidak berhasil.

Variabe1 yang dikaji dalam penelitian ini adalah keasaman dan perbandingan volume pada proses stripping.

TEOR!

Adapun reaksi yang terjadi dalam proses re ekstraksi adalah :

Zr(N03)4·2TBP+2H2S04

~ Zr(S04)2 +4HN03 +2TBP HfD++ + 2H+ + 4N03"+ 2TBP

~ Hf(N03)4 .2TBP + H20 (5)

dengan :

k : E.Y

E : efisiensi pencacahan Y: peluruhany(gamma yield).

Jumlah nuklida sasaran dapat di~J1g dengan kesetaraan mol:

Pengendapan merupakan bagian dari pemisahan butiran-butiran padat dari larutannya karena gaya beban. Pada pene1itian ini larutan Zr(S04h diendapkan dengan ~OH pada pH larutan 7-8. Mekanisme reaksi yang terjadi pada pengendapan adalah sebagai berikut :

Zr(S04)2 +4NH40H

~Zr(OH)4 t+2(NH4)2S04

N _ mNA

BA a (10)

dengan :

m : massa cuplikan

NA : bilangan Avogadro BA : berat atom unsure cuplikan a : kelimpahan re1atif isotop cuplikan

Dengan demikian Persamaan (9) me~lJdi

Pemantauan kandungan hafnium dilakukan dengan SEM yang dikombinasi

) (12)

(CPS ^{euplikan X Wstandar}

Weuplikan = (CPS^)standar

c=mNA_BA a<p(mY_A. (l_e-1.ta)e-1.td(l_e-1.tc) (11) Persamaan (11) tersebut dapat digunakan sebagai dasardan persamaan akhir analisis aktivasi. Tujuan analisis kuantitatif a~

menentukan nilai m (kadar) unsur dalam suatu cuplikan.

2. Metode Relatif

Untuk menghitung kadar cuplikan, dalam penelitian ini digunakan metode komparasi/relatif yaitu dengan membandingan kadar cuplikan dengan kadar cuplikan standar yang telah diketahui kadar dan komposisinya.

Untuk menghitung kadar cuplikan dengan metode komparatif/relatif dapat dihitung dengan Persamaan (12).

Endapan Zr(OH)4 apabila dikalsinasi pada suhu tertentu akan berubah menjadi Zr02, reaksi yang terjadi pada proses kalsinasi adalah sebagaiberikut:

Zr(OH)4 ~ ZrO 2

_i

+2H 20

t

Prinsip Dasar Analisis Aktivasi Neutron Cepat

1. Metode Absolut

Teknik AANC didasarkan pada reaksi neutron cepat dengan inti, cuplikan yang akan dianalisis diirradiasi dengan menggunakan generator neutron. Inti atom unsur yang berada dalam cuplikan akan menangkap neutron dan berubah menjadi radioaktif dengan memancarkan sinary. Sinaryyang dipancarkan umurnnya memiliki energi yang sangat karakteristik untuk setiap unsur/isotop, sehingga dapat diidentifikasi dengan menggunakan teknik spektroskopiy.[9]

Jumlah cacah kejadian peluruhan selama waktu untuk pencacahan (tc) adalah ^:[9]

Ie

c=

^fkAoe-A dt

1=0

dengan :

Weuplikan W slandar

(CPS)^euplikan (CPS)^slandar

: kadar unsur yang diselidiki : kadar unsur standar : jumlah cacah cuplikan : jumlah cacah standar.

dengan EDAX sedangkan struktur kristal dikonfirmasi dengan Diffraktometer sinar-x.

METODE PENELITIAN

Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian meliputi :

1. Residu yang sudah kering hasil pelindian dengan air.

2. Bahan pelarut TBP-Kerosen (30:70), H2S04, N~OH 25 % dan aquadest buatan laboratorium BKTPB sebagai bahan pengencer.

Alat

Alat yang digunakan dalam proses adalah sebagai berikut.

1. Beker gelas untuk ekstraksi, stripping, dan corong pernisah.

2. Satu set kompor magnet merek Ceramac Midi.

3. Buret dari pyrex volume 50 ml

4. Bar/pengaduk 0 =5 mm, panjang 50mm.

5. Krus alsint 6. Tungku pemanas 7. Eksikator

8. Timbangan analitis 9. Lampu pengering

Peralatan yang digunakan untuk analisis zirkonium meliputi :

1. Satu set AANC dan satu set DifJraktometer smar-x.

2. Plastik mylar buatan spex.

3. Vial (temp at sampel).

Cara Penelitian

1. Persiapan Umpan

Pasir zirkon yang tersedia direaksikan dengan NaOH padat dengan perbandingan berat antara pasir zirkon dengan NaOH padat adalah 1 : 1,1 dan pada kondisi peleburan pada suhu 700°C selama 2 jam. Terhadap hasilleburan ini dilakukan pelindian memakai air dengan perbandingan 19 hasilleburan dalam 30 mL air.

Hasil yang diperoleh dari pelindian memakai air dipisahkan dengan cara penyaringan untuk mengambil residu, sedangkan filtrat yang mengandung pengotor dibuang, selanjutnya residu dikeringkan. Residu hasil proses pelindian dilarutkan dalam asam nitrat 2 N

dengan perbandingan 109 residu dalam 100 mL asam nitrat.

2. Variabel Keasaman

Mula-mula umpan sebanyak 100 mL dimasukkan ke dalam gelas beker, kemudian diekstraksi dengan TBP-Krosen (30-70) dengan perbandingan 1: 1 selama 15 menit dengan kecepatan putaran 200 rpm. Setelah proses ekstraksi selesai kemudian dipisahkan dengan corong pemisah. Fase air (rafmat) yang berisi logam-logam pengotor dibuang sedang fase organik (ekstrak) distripping dengan cara menambahkan H2S04 (Normalitas divariasi dari 0,2 ; 0,4 ; 0,6 ; 0,8 ; 1,0) sebanyak 80 mL, kemudian diaduk pada kecepatan 200 rpm selama 15 menit. Hasil stripping dipisahkan dengan corong pemisah, fase organik dibuang sedangkan fase air diambil untuk diendapkan dengan menambahkan larutan N~OH 12,5 % hingga pH mencapai 7-8. Apabila proses pengendapan dianggap selesai, kemudian disaring dengan kertas wathman 40. Endapan yang diperoleh dicuci dengan air panas lalu dikeringkan dengan lampu pemanas. Setelah kering, endapan ditimbang dan dikalsinasi.

Terhadap serbuk hasil kalsinasi dilakukan analisis kandungan zirkonium dengan metode AANC (Analisis Aktivasi Neutron Cepat), hafnium dianalisis dengan SEM-EDAX, dan struktur kristal zirkonium dioksida diamati dengan Diffraktometer sinar-X.

3. Variabel Perbandingan Volume

Mula-mula umpan sebanyak 100 mL dimasukkan ke dalam gelas beker, kemudian diekstraksi dengan TBP-Krosen (30-70) dengan perbandingan 1: 1 selama 15 menit dengan kecepatan putaran 200 rpm. Setelah proses ekstraksi selesai, dipisahkan dengan corong pemisah. Fase air (rafinat) yang berisi logam- log am pengotor dibuang sedang fase organik (ekstrak) distripping dengan cara menambahkan H2S04 pada normalitas tertentu dengan volume divariasi dari 20 mL; 40 mL ; 60 mL; 80 mL dan 100 m L), kemudian diaduk pada kecepatan 200 rpm selama 15 menit. Hasil stripping dipisahkan dengan corong pemisah, fase organik dibuang sedangkan fase air diambil untuk diendapkan dengan menambahkan larutan N~OH 12,5 % hingga pH mencapai 7- 8. Apabila proses pengendapan dianggap

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN ⁷² Sajima dkk

selesai, kemudian disaring dengan kertas wathman 40. Endapan yang diperoleh dieuei dengan air panas dan dikeringkan dengan lampu pemanas. Setelah kering endapan ditimbang dan dikalsinasi. Terhadap serbuk hasil kalsinasi dilakukan analisis kandungan zirkoniumnya dengan metode AANC (Analisa Aktivasi Neutron Cepat), hafnium dianalisis dengan SEM-EDAX, dan struktur kristal zirkonium dioksida diamati dengan Difftaktometer sinar-X.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Penelitian ini merupakan bagian dari metode proses basah dalam pengolahan pasir zirkonium. Umpan yang digunakan dalam penelitian adalah larutan zirkonium nitrat yang merupakan hasil proses sebelumnya (peleburan memakai tungku pemanas, pelindian dengan air). Parameter-parameter yang diamati dalam penelitian adalah keasaman dan perbandingan volume pada proses stripping.

Varia bel Keasaman

Variabel keasaman dalam proses stripping dilakukan dengan memvariasi normalitas asam sulfat (H2S04) mulai dari 0,2 N hingga 1 N. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini disajikan pada TabelI.

Tabel 1. Pengaruh Keasaman Terhadap Kandungan Zr Dalam zr02

No NormalitasSerat EndapanZr dalam (N)

(mg) Zr02 (%) 1

0,2 375,98771,595 2

0,4 322,66770,639 3

0,6 207,76063,719 4

0,8 145,74356,821 5

1,0 142,66743,004

Tabel 1, pengaruh keasaman terhadap kadar Zr dalam Zr02 menunjukkan bahwa semakin tinggi normalitas asam sulfat pada proses stripping akan mengakibatkan kadar zirkonium dalam zr02 mengalami penurunan, hal ini karena hasil proses ekstraksi seeara eatu masih mengandung logam-Iogam sebagai pengotor yang eukup tinggi. Pengotor-pengotor tersebut sangat mudah bereaksi dengan ion-ion sulfat sehingga dalam proses pengendapan jumlah pengotor yang terendapkan membentuk

endapan hidroksida bersama zirkonium semakin besar.

Variabel Perbandingan Volume

Variabel perbandingan volume dalam proses stripping dilakukan dengan memvariasi perbandingan antara ekstrak zirkon (umpan) dengan asam sulfat (H2S04), Volume umpan dibuat tetap yaitu 100 mL sedangkan volume asam sulfat divariasi dari 20 mL hingga 100 mL. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini disajikan pada Tabel2.

Tabel2. Pengaruh Perbandingan Volume Terhadap Kadar Zr Dalam zr02

No NormalitasSerat EndapanZr dalam Zr02 (N)

(mg)(%) 1

20 312,07156,032 2

40 342,05665,940 3

60 375,98770,639 4

80 376,63170,645 5

100 377,04070,680

Pada Tabel 2, pengaruh perbandingan volume terhadap kadar Zr dalam zr02 olahan tampak jika volume asam suIfat semakin besar akan mengakibatkan kadar Zr dalam Zr02 mengalami kenaikan. Hal ini karena semakin besar volume asam sulfat dalam proses stripping menyebabkan jurnlah ion-ion sulfat semakin besar sehingga memberi kesempatan kepada zirkonium untuk bereaksi dengan ion- ion sulfat membentuk zirkonium suIfat sangat besar dan kemudian bereaksi dengan ~OH membentuk endapan zirkonium hidroksida semakin besar pula.

Pada penelitian ini juga dilakukan pengamatan kandungan hafnium menggunakan SEM-EDAX, dari hasil pengamatan diperoleh kandungan hafnium sebesar 4,100 % pada zr02 olahan. Hasil ini menunjukkan bahwa zr02 hasil proses ekstraksi dan stripping seeara eatu belum diperoleh zr02 mumi nuklir terutama terhadap pengotor logam hafnium, untuk itu perlu dilakukan proses ekstraksi seeara bertingkat untuk menghilangkan pengotor logam hafnium. Pada pengamatan zirkonium dioksida olahan menggunakan Diffraktometer sinar-X (XRD) diperoleh hasil (difftaktogram) seperti Gambar 2 dan Gambar 3.

Difftaktogram hasil pengamatan diidentifikasi dengan bantuan Tabel Hanawalt

diperoleh bentuk kristal dari zrOz olahan adalah tetragonal bereampur kubik dan monoklin.

Dilihat dari intensitas, ZrOz olahan lebih rendah apabila dibanding dengan zrOz pabrikan, hal ini menunjukkan bahwa ZrOz olahan kemumian- nya masih rendah.

Gambar 2. DirraktogramzrOz Olahan.

!IW

l

[ tit

DAFTAR PUST AKA

1. LUTSMAN, B., and KERZE, F. Jr., 1955, The Metalurgy of Zirconium., Me Gra Hill Book Company, Inc, New York, hall-216.

2. WIDDI USADA, ISYUNIARTO, MlNTOLO, SRI SUKMAJAYA., 2001, "Kajian Pustaka Prospek Pengembangan Sel Bahan Bakar Oksida Padat", Ganendra, Vol IV No 2.

3. PURNOMO, FONALI. L., 1997, "Pengendapan Zr(OH)4 dari Larutan Zr(S04)Z dengan Amonia", Pro siding PPI, PPNY-BATAN, Yogyakarta, haI251-262.

4. ELlNSO, S.V. and PETROV, 1960, Zirconium Chemical and Physical Methods of Analyzer, Atomic Energy at The Cunci1 of Ministrys, Mozcow, hal17 - 60.

5. SILVA. A. DA., 2005, Hafrdum/Zirconium Separation Using Cyanex 925, in http pubs.

Nrc-cnrc, gc. ca. cmq/03739-1.

6. DEAN AJ , LANGE'S., 1987, Handbook of Chemistry., Edisi 13 Me Graw Hill international Editions, Fong & Sons Printers Ptc Ltd, Singapore, hal132.

7. TARWITO, SOEDYARTOMO SOENTONO., 1982, "Beberapa Penelitian Tentang Kompleks Zirkonium dengan Degradasi TBP", Lokakarya Kimia dan Tekno1ogi Pemumian Bahan Nuk1ir dan Pertemuan Ilmiah Bahan Murni, Fisika, Reaktor dan Instrumentasi, Yogyakarta, ha124.

8. TUNJUNG lNDRA TI, BUDI SULSTYO, 1993,

"Ekstraksi dan Reekstraksi Zr(Hf)OCh 8HzO Hasil Pelindian HC1 Menggunakan Pesawat Pengaduk Pengenap", Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN, Yogyakarta.

Gambar 3. Difrraktogram zrOz Pabrikan.

KESIMPULAN

9. DARSONO., Akselelator Yogyakarta.

2001,

dan "Aplikasi Tekno1ogi Aplikasinya", Vol 3,

Dari hasil analisis menggunakan AANC dan XRD dapat ditarik kesimpulan bahwa pembuatan zirkonium dioksida (zrOz) dari larutan hasil ekstraksi dan stripping seeara eatu dapat dilalcukan. Kondisi operasi stripping terbaik diperoleh pada keasaman 0,2 N dan perbandingan volume umpan dengan pelarut sebesar 1 : 0,4, pada kondisi tersebut zirkonium dioksida berkadar Zr sebanyak 71,595 % dan Hf 4,100 % dengan bentuk kristal eampuran antara tetragonal, kubik dan monoklinik.

TANYAJAWAB Pertanyaan

1. Apakah sudah pemah dieoba menggunakan alat lain, seperti AANC?

2. Apa sudah dieoba pada konsentrasi keasaman 0,1? Mengapa langsung langsung memilih 0,2? (Suryo Raneono)

mana?

kubus, 3. Pada kesimpulan arahnya ke

Mengapa ada hasil kristal, tertragonal, dU.? (Atmojo) Jawaban

1. Sudah pernah dicoba dan hasilnya sama (dengan X-ray)

2. Sudah pernah dicoba pada konsentrasi 0,1- 0,2. Hasilnya sama sehingga dipakai 0,2.

3. Ke depan diharapkan bentuk kristal tetragonal.

Daftar Isi