Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah V Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - SATAN
.
SORPSI KADMIUM PADA Na-BENTONITPratomo Budiman Sastrowardoyo, Teddy Sumantry Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN
ISSN 1410-6086
ABSTRAK
SORPSI KADMIUM PADA NA-BENTONIT. Penelitian tentang sorpsi Cd dengan Na-bentonit sebagai calon bahan bufer pada sistem penyimpanan limbah radioaktif telah dilakukan. Kadmium digunakan dalam penelitian ini sebagai model untuk unsur bervalensi II. Metode catu dengan pengocokan diadopsi untuk mempelajari isoterm sorpsi, pengaruh karbonat dan pengaruh EDT A terhadap sorpsi. Dalam media sederhana, aquades, sorpsi Cd terjadi dengan afinitas yang besar. Isotherm sorpsi Freundlich 2 tahap diperlihatkan dengan koefisien distribusi dan kapasitas sorpsi yang tinggi. Adanya karbonat dalam fasa larutan tidak memberikan pengaruh berarti terhadap sorpsi. Sementara itu adanya EDTA dalam larutan menurunkan nilai Kd.
ABSTRACT
SORPTION OF CADMIUM ON NA-BENTONITE. The sorption of Cd radionuclide into Na-bentonite as candidate for buffer material in the radioactive waste disposal system has been performed. Cadmium was used for this study as a model for bivalence elements. Batch experiment was adopted to study sorption isotherm, influence of carbonate and influence of EDTA. In a simple media, pure water, Cd was retained with a high affinity. Two stages Freundlich sorption isotherm was shown, with high coefficient distribution and sorption capacities. It is shown that the presence of carbonate in solution was not affect significantly to the sorption. While the presence of EDT.A:,decrease the distribution coefficient value. Kata kunci: sorpsi, kadmium, migrasi, limbah radioaktif, penyimpanan limbah
PENDAHULUAN
Telah disepakati di banyak negara bahwa natrium bentonit dalam bentuk terkompaksi dipertimbangkan untuk digunakan sebagai calon buffer material pada sistem penyimpanan limbah radioaktif. Hal ini terutama karena konduktivitas hidraulik yang rendah serta retardasi yang tinggi terhadap migrasi radionuklida [1]. Fungsi konduktivitas hidraulik pada Na-bentonit adalah untuk menghambat intrusi air tanah ke dalam fasilitas penyimpanan, yang karenanya akan menunda korosi canister limbah. Diperkirakan bahwa kemampuan tersebut turun sedikitnya setelah ratusan tahun. Proses dihipotesakan selanjutnya ialah pelarutan radionuklida ke badan air tanah, diikuti pelepasannya ke lingkungan. Dalam kaitan ini kemudian fungsi isolasi bentonit terhadap migrasi radionuklida akan menonjol. Sepanjang transportnya di dalam buffer material, radionuklida akan berinteraksi dengan mineral-mineral dalam bahan tersebut, yang terutama adalah smektit. Seperti telah banyak dikenal smektit merupakan mineral major dalam bentonit. Interaksi radionuklida-bentonit dapat dideskripsikan dengan mekanisme sorpsi. Pengertian sorpsi mencakup setiap proses fisiko-kimia perpindahan masa dari fasa larutan ke fasa padatan, baik tak langsung (filtrasi molekuler, eksklusi ion) maupun langsung;
secara reversibel (adsorpsi fisik, pertukaran ion) atau ireversibel (mineralisasi, presipitasi) [2]. Sejumlah penelitian berkaitan dengan migrasi radionuklida dalam bentonit telah banyak dipublikasikan. Namun data yang ada lebih banyak diperoleh untuk jenis Na-bentonit Wyoming (USA), dan Kunigel V1 (Jepang) [3-9]. Sedangkan penggunaan benton it asal Indonesia, yang berpotensi untuk digunakan dalam sistem penyimpanan limbah di Indonesia, masih sangat langka. Karena itu dalam penelitian ini digunakan benton it asal Nanggulan Kulonpogo- Yogyakarta, yang merupakan jenis Ca-bentonit [10]. Pada Gambar 1 disajikan skema mineral
montmorillonite, merupakan 'mineral major
dalam bentonit [11].
Dalam makalah ini disajikan sorpsi Cd pada Na-bentonit. Unsur Cd digunakan sebagai model unsur valensi II. Radionuklida dari unsur valensi II terse but banyak berasal dari hasil fisi dalam bahan bakar nuklir maupun rasil aktivasi neutron dalam reaktor [12]. Limbah yang mengandung radionuklida iersebut dapat dimasukkan ke dalam kategori aktivitas tinggi atau aktivitas rendah dan sedang. Tidak banyak dilakukannya penelitian sorpsi Cd pada bentonit tersebut. Tetapi dapat dicatat adanya penelitian untuk menghitung koefisien distribusi secara mekanistik sorpsi Cd pada bentonit Wyoming [13-15]. Sedangkan
ProsidingSeminar Teknologi Pengelolaan Limbah V Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN
ISSN 1410-6086
pada penggunaan benton it Kulonpogo-Yogyakarta, untuk penelitian sorpsi meliputi sorpsi [17], serta Cs, Sr, dan Pb [18].
Nanggulan penelitian-Co [16], Zn
tanah. Sementara itu EDT A digunakan sebagai model pengompleks organik semacam asam humus. Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat diintroduksi ke dalam model migrasi radionuklida, yang kemudian akan digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered
barrier pada sistem penyimpanan limbah
radioaktif.
.IS;
60.1io .••*',1.•••• Gambar 1. Skema struktur montmorillonite,
mineral major dalam benton it, Andrews et aI., 1996 [11]
Pengukuran-pengukuran sorpsi diawali dengan kondisi untuk larutan EJe,llC::lter,yai\u pengg1maan media sederhana (air mum i) untu.< isoterm sorpsi. Untuk mengawali penggunaan air tanah dengan komposisi yang kompleks, penelitian dilanjutkan dengan pengaruh karbonat dan pengaruh EDTA dalam fasa larutan. Karbonat dipilih sebagai model pengompleks anorganik, yang terdapat dalam hampir semua jenis air
1,
p'
60iDh.~.plaa. 40 "10M J.\J •. F.tDl)erMcan 40·1011 TATAKERJABentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta, jenis kalsium-bentotit, digunakan dalam penelitian ini. Komposisi kimia disajikan pada Tabel 1 [10]. Na-bentonit disiapkan dengan prosedur yang diadopsi dari pustaka [19]. Larutan Cd2+ yan~ digunakan mencakup 2 jenis: yaitu larutan Cd +1000 ppm dalam 0,2 N HCI, yang telah tersedia (dari E.Merck); dan larutan Cd2+ 0,1 N, yang dibuat dengan melarutkan 0,9164 9 CdCb (Aldrich) dalam 100 ml. Larutan karbonat dibuat dengan melarutkan 0,3974 9 Na2COJ (E.Merck) dalam 100 ml. Larutan EDT A (y4) diperoleh dengan melarutkan 1,3949 9 ClOHI;>N2NaJHOa.2H20 (E.Merck) dalam 10C ml. Bahan-bahan lain meliputi HNOJ pekat, NaOH dll.
Peralatan utama yang digunankan meliputi alat Spektrometri Serapan Atom (SSA), syringe micro-filter 0,45 ~lm, rolling
shaker, serta botol-botol polietilena.
Tabel1. Komposisi kimia bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta [10]. No Parameter KomposisiMethods
1
Si02 Gravimetri84,79 2
AI203 undetectableSSA 3
Fe203 undetectableSSA 4
CaO kompleksometri3,22 5
MgO 0,40SSA 6
Free Acid Titrimetri0,08 7
pH (10% larutan)Elekrometri6,5 8
Loss on ignitionGravimetri13,29
Teknik pengocokan sederhana dilakukan seperti dalam publikasi [20J. Kontak 15 ml larutan Cd2+ dengan 0,1 9 Na-bentonit dilaksanakan dalam botol polietilena. Pada percobaan isoterm sorpsi, dilakukan variasi konsentrasi Cd2+ pada 2-1000 ppm (tahap 1), serta pada konsentrasi 2300 dan 4600 ppm (tahap 2). Pada percobaan pengaruh pengompleks karbonat dan EDT A, digunakan
96
[Cd2+] = 2 ppm (6x10·5 N). Pada percobaan pengaruh pengompleks, laru!an karbona! dan EDT A masing-masing ditambahkan untuk mencapai konsentrasi pengompleks dalam larutan 1x10-4 - 5xlO'2 N.
Pengocokan dilakukan dengan bantuan alat rolling shaker pada 276 rpm, selama 6 hari. Lalu pemisahan fasa padatan dan fasa cairan dilakukan dengan bantuan
(1) Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan limbah V Pusat Teknologi Limbah Radioaktlf - SATAN
syringe micro-filter 0,45 Jlm. Penambahan 0,8
ml HN03 pekat ke dalam 10 ml filtrat, diperlukan untuk pengukuran konsentrasi dengan alat SSA, pada panjang gelombang f.. =
228,8 nm.
Kuantifikasi sorpsi dilakukan dengan pengukuran koefisien distribusi (Kd), yang didefinisikan sebagai ratio konsentrasi radionuklida pada padatan, [Cd]s, dan dalam larutan pad a kesetimbangan, [Cd]I,[2]
Kd_[Cd],
- [Cd
r
ISSN 1410-6086
beraneka [21]. Secara umum isoterm Freundlich dapat ditulis sebagai:
10g[Cd]. =a+n.log[Cd
1
(2)dalam kaitan ini Ca dan K masing-masing ialah kapasitas sorpsi dan kesetimbangan sorpsi. Hasil pengukuran kemiringan dan penentuan
intercept dirangkum pada Tabel 2. Dengan
persamaan (2), untuk konsenlrasi Cd dalam larutan [Cd]1 = 1x 10-6 ek///) diperoleh suatu koefisien distribusi Kd =1x10 I/kg.
I.O~~02
o
Gambar 2.Isolerm sorpsi Cd pada Na-benlonit, bentuk log HASIL DAN PEMBAHASAN
Oari percobaan isoterm sorpsi, pada penggunaan konsentrasi· awal Cd2+ sampai dengan 1000 ppm diperlihatkan adanya kenaikan konsentrasi Cd2+ terse rap ~ada Na-benton it terhadap konsentrasi Cd + dalam larutan. Pada penggunaan konsentrasi Cd2+ lebih tinggi, dicapai nilai sorpsi maksimum, yang diadopsi sebagai suatu kapasitas, Ca, dan diperoleh Ca = 2,65 eq/kg. Pada Gambar.
2 disajikan bentuk log isoterm sorpsi. Oiperlihatkan adanya 2 kurva linier berbeda, yang diinterpretasikan isoterm sorpsi mengikuli aturan Freundlich dalam 2 lahap. loterm Freundlich mengindikasikan bahwa afinitas sorpsi Cd pada tanah terjadi pada site sorpsi
Y - 0,38 X+O,~9
1.01·~O~ I.O~~OI
Tabel 2. Parameter isoterm Freundlich untuk sorpsi kadmium pada Na-bentonit I
No
--
ParameterTahapTahap21
1 Kemiringan,0,58n 0,38
2
tntercept, a1,49 0,59 3
Koefisien distribusi, Kd- 1x106 ek/kg Pada [Cd2+]1=1x1 0-6N
Oari pengamatan pH, diperlihatkan nilai pH sekitar 2 untuk konsentrasi Cd2+ tinggi dan sekitar 8 untuk konsentrasi Cd2+, Seperti yang biasanya nilai Kd turun terhadap konsentrasi Cd2+ dalam larutan, selanjutnya dapat diduga kemungkinan turunnya nilai Kd tersebut berkaitan dengan kompetisi antara ion-ion H+ dan Cd2+, Seperti dinyatakan dalam banyak pustaka, bahwa dalam kondisi adanya Na-bentonit dalam suspensi, pH larutan dapat berkisar antara 6 hingga 11 [22]. Walaupun studi spesiasi belum dilakukan selengkapnya, namun layak diduga bahwa pada kondisi-kondisi pH tersebut sorpsi terjadi melalui pembentukan spesi-spesi dalam larutan berupa Cd2+, Cd(OH)+ dan Cd(OHh [23], Selain itu kemungkinan terjadinya
pengendapan CO(OH)2(S) pada konsentrasi Cd2+ dapat memberikan kontribusi bagi sorpsi unsur tersebut.
Percobaan pengaruh karbonat
disajikan pada Gambar 3, yang
memperlihatkan adanya kenaikan nilai Kd, hingga [COll = 1x10·3 N, kemudian turun sebagai fungsi penambahan karbonat dalam larutan. Oalam hal ini pH larutan naik dari 7,0 pada [COll = 1x1 0-4 N hingga pH = 8,3 pada [COll = 1x10·3 N. Penjelasan yang dapat diajukan ialah bahwa pada penambahan karbonat, selain spesi-spesi Cd2+, Cd(OH)' dan Cd(OH)2, terdapat kemungkinan terbentuknya spesi CdC03 pada penambahan karbonat tinggi [23]. Tanpa muatan positif, CdC03 rt,erupakan spesi yang kurang terseorpsi.
Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah V Pusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN
Belum ada penjelasan bahwa nilai Kd rendah pad a penambahan [CO/l dibawah 1x10'3 N. Sedangkan sebab penurunan nilai Kd setelah melampaui [CO/l = 1x1Q'3 N dapat berasal dari kenaikan [CdC03J. Dibandingkan tanpa penambahan karbonat, nilai Kd pada pada penambahan karbonat sedikit turun dengan suatu faktor 4. Secara umum dapat dinyatakan bahwa penambahan karbonat tidak banyak berpengaruh terhadap sorpsi Cd pad a Na-bentoni!.
ISSN 1410-6086
Cd pad a Na-bentoni!. Sedangkan adanya EDTA, akan menyebabkan penurunan Kd.
..
S1Sum bang an adanya pengendapan Cd(OHh(s) pada pH tinggi dalam larutan, serta CdC03(s) pada penambahCln karbonat, akan merupakar. faktor favourable tambahan. Sementara, yang perlu diwaspadai ialah adanya EDTA dalam fasa larutan yang menurunkan nilai Kd. Dengan metode pengocokan sederhana, telah diperoleh data baru dan penting tentang sorpsi pada buffer
material, yang dapat disumbangkan untuk
pengayaan bank data tentang perilaku radionuklida dalam engineered barrier.
DAFT AR PUST AKA
1. PUSH, R.: Use of Clays as Buffer in
Radioactive Repository, Lulea University,
Lulea Swedia (1983).
2. McKinley, I.G., Hadermann, J.,:
Radionuclide sorption data base for Swiss
safety assesement, NAGRA-CEDRA, TR
84-40, Wurenlingen-Switcherland (1985). 3. Tsukamoto, M., Fujita, T., Ohe, T.:
Surface Complexation Modeling for
Desorption of Actinide Sorption at the
Buffer Material/ Water tnterface, J. Nucl.
Mat. 248, 333 (1997).
4. Hsu, C.N., Chang, K.P.: Sorption and
Desorption Behavior of Cesium on Soil
Components, Appl. Radial Isotop 45 (4),
433 (1994).
5. Oscarson, D.W., Hume, H.B., King, F.:
Sorption of Cesium on Compacted
Bentonite, Clays Clay Mineral 42, 731
(1994).
6. Ohnuki, T. Kozai, N.: Sorption
Characteristic of Radioactive Cesium and
Strontium on Smectite, Radiochim. Acta
66/67,327 (1994).
Gambar 4. Pengaruh EDTA terhadap sorpsi Cd pada Na-bentonit
1.0E+06 <> I DE+04-;n
/\
~
"
o <>~
I DE~O2 10['00 I OE·OS I 01. 0·'10E·oJJ101'·01OE·O~ (lIeUJ·JGambar 3. Pengaruh karbonat terhadap sorpsi Cd pada Na-bentonit
Untuk pengaruh EDT A terhadap sorpsi Cd pad a Na-bentonit disajikan pad a Gambar 5. Nilai Kd turun terhadap kenaikan konsentrasi EDT A. Berdasarkan data termodinamik [23]. dapat dijelaskan kemungkinan terjadinya spesi-spesi Cdy2. dan CdyO·. Dengan y4. ialah bentuk (ClOHI2N20et. Spesi kompleks yang terjadi ialah berupa anion-anion, yang tidak terikat oleh Na-bentoni!. Sebagai pembanding dapat dianalogikan dengan penelitian yang dilakukan oleh Davis dkk. [24]. Yaitu pada penggunaan EDTA bertanda 14C, ditunjukan bahwa tidak ada spesi kompleks Cd-EDTA tersorpsi pada kalsit. Kemungkinan aksi EDT A sebagai pengompleks sepit (chelating agent) terhadap
Cd juga terjadi terhadap Cd. Sehingga adanya EDTA dalam larutan akan menurunkan sorpsi. KESIMPULAN
Sorpsi Cd pada Na-bentonit mengikuti isoterm Freundlich dalam 2 tahap. Afinitas sorpsi yang besar merupakan faktor favourab/~ bagi retensi migrasi radionuklida Cd dalam sistem engineered barrier. Yaitu dengan kapasitas sorpsi dan koefisien distribusi yang tinggi: Ca = 2,65 eq/kg dan Kd = 1x106 J/kg, Adanya karbonat dalam fasa larutan, tidak memberikan pengaruh berarti terhadap sorpsi
98 2 -5 -4 -J log IY'J -2 -1 _i
Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah V Pusat Teknologi Limbah Radioaktlf - BATAN
7 .. Shibutani, T., Yui, M., Yoshikawa, H.:
Sorption Mechanism of Pu, Am and Se on
Sodium-Bentonite, in Proceed 17'h Symp.
on the Scientific Basis for Nuclear Waste Management (A. Barkett and RA Van Konyenburg eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh, Pensylvania (1994), 725. 8. Kozai, N., Ohnuki, T., Muraoka, S.:
Sorption Behavior of Neptunium on
Bentonite - Effect of Calcium ion on the
Sorption, in Proceed 17'h Symp. on the
Scientific Basis for Nuclear Waste Management (A. Barkett and R.A. Van Konyenburg eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh, Pensylvania (1994), 1021. 9. Sato, H., Ashida, T., Kohara, Y., Yui, M.:
Study of Ratardation Mechanism of 3H,
99Tc• 137CS, 237Np and 241Am in
Compacted Bentonit, in Proceed 16th
Symp. on the Scientific Basis for Nuclear Waste Management, (C.G. Interrante and R.T. Pabalan eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh, Pensylvania (1993), 403. 10. Brosur PT Anindya Yogyakarta
11. Andrews, J.E., Brindlecombe, P., Jickells. T.D., Liss, P.S., An Introduction to
Environmental Chemistry, Blackwell,
Oxford, Chapter 3, pp. 46-113 (1996). 12. Benedict, M., Pigford, T.H., Levi, H.W.:
Nuclear Chemical Engineering, 2nd Ed.,
McGraw-Hili Book Company, New York, 1981.
13. Baeyens, B., Bradbury, M.H.: A
Mechanistic description of Ni and Cd
sorption on Na-montmorillonite. Part I:
Titration and sorption measurements, J.
Cont. Hydrology 27, pp. 199-222 (1997). 14. Bradbury, M.H., Baeyens, B.: A
mechanistic description of Ni and Cd
sorption on Na-montmorillonite. Part 1/:
ISSN 1410-6086
Modelling. J. Cont. Hydrology 27,
223-248, (1997).
15. Bradbury M.H., Baeyens, B.: Modelling
the sorption of Cd and Ni on
Ca-montmorillonite, Geochim. Cosmochim.
Acta 63, 325-336 (1999).
16. Pratomo B. Sastrowardoyo: Sorpsi Kobalt
pada Na-Bentonit, Prosiding - Seminar
Nasional Kimia dan Kongres Nasional Himpunan Kimia Indonesia, 758-764 (2006).
17. Pratomo B. Sastrowardoyo: Sorpsi Seng
pada Na-Bentonit, Makalah disiapkan ke
PPI-PDIPTN, PTAPB Yogyakarta, 10 Juli 2007.
18. Pratomo B. Sastrowardoyo, Bidang Teknologi Penyimpanan Lestari, Laporan-laporan terbatas PTLR Batan.
19. Lumingkewas, S.: Konversi Ca-bentonit
menjadi Na-bentonit melalui teknik
pertukaran ion, Thesis FMIPA UGM (S2),
Yogyakarta (1996).
20. Mecherri, M.a., P. Budiman Sastrowardoyo, Rouchaud, JC., Fedoroff,
M.: Study of Neodymium Sorption on
art hose and Calcite for Radionuclide
Migration Modelling in Groundwater,
Radiochim.Acta 50,169 (1990).
21. Trapnell, B.M.W.: Chemisorption,
Butterworths Scientific Publ.(1955). 22. PNC: Research and Development on
Geological Disposal of High-Level
Radioactive Waste, PNC-TN1410 93-012,
PNC Technical Report, Tokyo (1993). 23. Stumm,
w.,
Morgan, J.J.: AquaticChemistry: Chemical Equilibria and Rates
in Nalural Water, John Wiley & Sons, Inc,
New York (1996).
24. Davis, J.D., Fuller, C.C., Cook, A.D.: Geochim. Cosmochim. Acta 51, 1477 (1987).
