URANIUM MEMAKAI METODA

242 ISSN 0216-3128 A. Ninik Bintarti. dkk

PENGOLAHAN

LIMBAH

MEMBRAN EMULSI

URANIUM

MEMAKAI

METODA

A. Ninik Bintarti, Bambang EUB, Jati Pramono

P3TM- BATAN, JI. Babarsari Kotak Pas 1008, Yogyakarta 55010

ABSTRAK

PENGOLAHAN L/MBAH URANIUM MEMAKAI METODA MEMBRAN EMULSI. Telah dilakukan proses pengolahan uranium (U) daTi bahan bakar bekas simulasi. Pengolahan dilakukan dengan cara ekstraksi memakai metoda membran emulsi. Sebagai pelarut digunakan tributil fosfat (Tap) dengan pengencer kerosin dan sulfaktan span-80 sebagai zat pementap pada pembentukan membran emulsi. Sebagai fasa internal digunakan larutan Na2CO3 pH

10-11. Sebagai umpan adalah larutan uranium dan ruthenium dalam HNO3 dan sebagai pemecah membran dipakai butanol. Membran untuk ekstraksi mempunyai susunan yang terdiri daTi sulfaktan span-80 5% volume, Tap 10% volume, keosin 35% volume, dan larutan Na2CO3 50% volume. Dari berbagai variasi waktu ekstraksi, kecepatan pengadukan dan keasaman umpan, diperoleh kondisi optimum pemisahan uranium adalah waktu ekstraksi 5 menit, kecepatan pengadukan 800 tpm dan keasaman umpan 2 M. Kondisi ini memberi faktor pisah membran U-Ru 5,5 dan efisiensi uranium 26 %.

ABSTRACT

TREA TMENT OF URANIUM WASTE by EMULSION MEMBRANE METHODS. Research of the treatment process of uranium (U) from a simulated spent fuel had been done. The treatment was carried out by extraction using membrane emulsion methods. Tributyl phosphate (TBP) as a solvent was diluted by kerosene and surfactant span-80 was used as an emulgator in forming emulsion membrane. Sodium carbonate solution was used as intemal phase at pH 10-11. The feed was a mixture of U and Ru in HNO3 and the membrane splitter was butanol. The emulsion membrane for extraction consisted surfactant 5% volume, TBP 10% volume, kerosene 35% volume, and Na2CO3 50% volume. Under various conditions such as extraction time, rotation speed of mixing and acidity of the feed was given the optimum condition to uranium separation. were the extraction time of 5 minutes, the speed of stirring 800 rpm., and the acidity of the feed 2 M. This condition gave the separation factor of membrane U-Ru 5.5 and efficiency of uranium 26%.

ditujukan untuk memperkecil jumlah uranium sebelum dilimbahkan dengan proses ekstraksi memakai teknik membran emulsi, yaitu melakukan

ekstraksi sekaligus re-ekstraksi (" Stripping j. Emulsi sendiri merupakan sistem, baik zat terdispersi maupun zat pendispersinya cair.<I) Ekstraksi memakai metoda membran biasa disebut dengan LSM (Liquid Surfactant Membrane) atau metode membran cair yang diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih baik untuk pemisahan uranium terhadap ruthenium pacta pengolahan sisa umpan produksi radioisotop, limbah pengolahan uranium dan memperkecil hasil-hasil belah pada pengolahan uranium dari bahan bakar bekas yang juga mengandung unsur-unsur aktinida. Untuk gambaran perbandingan uranium terhadap ruthenium untuk reaktor jenis PWR adalah U = 9,54 x 10s g/~g dan Ru = 1,9 X 103 g/~g, untu.k jenis

PENDAHULUAN

P engOlahan uranium perlu dilakukan untuk memisahkan dari pengotomya, yang salah satunya adalah ruthenium (Ru) dengan maksud untuk memperkecil jumlahnya. Hal ini dilakukan terhadap limbah pengolahan uranium, atau pengolahan uranium sisa umpan pruduksi radioisotop dan bahan bakar bekas yang telah mengandung hasil belah dan masih banyak uraniumnya. Bahan bakar bekas yang sudah banyak mengandung hasil belah harus diolah untuk mengambil uraniumnya karena masih mengandung 95% U yang belum terbakar dari uranium yang mula-mula ada.(I)

Pengambilan uranium dari bahan bakar bekas biasanya dijalankan dengan proses ekstraksi cair-cair menggunakan pelarut TBP.(2) Penelitian ini

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

..

Dalam ekstraksi memakai metoda membran emulsi dikenal koefisien distribusi ekstraksi (KdEks) clan juga koefisien distribusi "stripping" (Kdstrip).

Membran emulsi sesudah dipakai untuk mengekstraksi U dilanjutkan dengan proses peme~ahan membran dengan butanol untuk memisahkan rasa air internal yang telah mengandung zat terlarut dari rasa organiknya. Kadar U clan Ru dalam rasa air ekstemal clan internal selanjutnya dianalisis menggunakan alat pendar sinar X.

Pada penelitian ini dipakai larutan umpan simulasi yang mengandung U dan Ru, untuk menguji kemampuan membran, ditinjau parameter kecepatan pengadukan, waktu pengadukan pada proses ekstraksi, dan keasaman umpan. Untuk melihat keberhasilan proses pemisahan ~itinjau faktor pisah (FP) yaitu perbandingan antara Kd "Stripping" U terhadap Kd "Stripping" Ru dan juga efisiensi U ("U) yaitu perbandingan U yang terambil dalam rasa air internal terhadap U mula-mula dalam umpan.

TATA

KERJA

Bahan dan alat

Bahan yang digunakan adalah UNH. RuCI3. TBP. Kerosin. Span-gO, Na2CO3. HNO3 Butanol dan aquades. Sedangkan alat yang dipergunakan adalah magnetic stilTer. pengaduk berkecepatan tinggi. neraca analitic pH meter, XRF dan alat-aJat gelas.

Metoda.

Pembuatan membran emulsi

a. Dibuat campuran rasa organik 10 ml terdiri dari TBPdan span-SO dalam kerosin, % TBP divariasi dari 5, 10, 15 dan 20 % vol. Perbandingan rasa organik terhadap rasa air internal I : 1 'dengan rasa air internallarutan Na2CO3.

b, Percobaan No. I dipilih % vol. TBP yang memberikan hasil kestabilan membran yang relatif paling lama. Percobaan berikutnya adalah variasi pH rasa air internal dari S, 9, 10, 11 dan

12.

c, Percobaan selanjutnya adalah variasi waktu emulsifikasi dari 5, 10, 15,20, 25, dan 30 menit dengan % vol TBP dari hasil percobaan No.1, dan pH rasa air internal dari percobaan No.2 yang tcrbaik.

Proses ekstraksi

a. Umpan sebanyak 10 ml yang mengandung U 5000 ppm dan Ru 325 ppm dengan keasaman umpan 1 M diekstraksi dalam membran sebanyak

LMFBR mengandung U = 8,56 x 10s g/J.!g dan Ru = 3,37 X 103 g!J.!g, untuk HTGR mengandung U = 5,44 x 104 g!J.!g dan Ru = 3,9 x 103 g!J.!g, semua untuk waktu pendinginan 150 hari.(2)

Pada proses ekstraksi akan terbentuk komplek yang dapat berupa kation atau anion yang akan berasosiasi dengan kation atau anion lain, sehingga dihasilkan komplek yang bermuatan. Komplek ini akan terekstrak ke dalam rasa organik sehingga akan terdistribusi kc dalam rasa organik dan rasa air. Kelarutannya ditentukan oleh sifat komplek logamnya. Apabila komplek mengandung gugus organik yang berukuran besar, maka kelarutannya akan lebih besar dalam rasa organik.(3) Dalam rasa organik kemungkinan akan terjadi interaksi an tara zat tcrlarut dengan ekstraktan yang akan berpengaruh pada konmsentrasi komplek

dalam rasa organik, yang kemudian akan

mempengaruhi efisiensi zat terlarut. Apabila konsentrasi ekstraktan diperbcsar maka dapat terjadi polimerisasi secara cepat sehingga menurunkan efisiensi zat terlarut.

Pcmbcntukan mcmbran cmulsi dibutuhkan surfaktan, yaitu zat ketiga sebagai zat pemantap supaya emulsi tidak segera pecah dan terpisah lagi karena surfaktan akan mcmbungkus butir-butir cairan terdispersi dengan suatu lapisan tipis, sehingga butir-butir dapat bergabung menjadi suatu rasa kontinyu. Dipilih jenis emulsi air dakam minyak (AIM) dengan surfaktan yang mempunyai nilai HLB (Hydrophyle Lopophyle Balance) 3 -6, untuk mendapatkan emulsi ini, dipilih surfaktan span-SO yang mempunyai HLB 4,3.(3) Span-SO sendiri merupakan surfaktan non ionik dari campuran bermacam-macam ester (Sorbitan, mono, di, Iri oleal rRCOOR ']), komponen meta sorbitol (R 'OH) at au asam oleat (R 'COOH) dan air .(4) Pada umumnya span-SO disebut sorbitan saja. Span-SO mengalami dekomposisi dalam rasa air internal yang akan memberikan kestabilan pada emulsi.

Pad a proses ekstraksi memakai teknik membran cair, maka zat terlarut yang berada dalam rasa air eksternal (umpan) akan diambil masuk ke rasa air internal dalam membran sesudah dilakukan kontak beberapa saat ant!\ra umpan dengan membran. Zat terlarut masuk melalui LSM memakai TBP sebagai pelarut secara difusi.(S)

Ion-ion U dan Ru diekstraksi memakai pelarut TBP dengan kemungkinan reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

UO2(NO3}2+ 2 TBP -+ UO2(NO3)2. 2TBP (1)

H++ NO3" + TBP -+ HNO3. TBP (2)

RUO+3 + 3 HNO3. TBP -+ RuO(NO3}3. 3TBP + 3 H+ (3) Dari persamaan di atas terlihat bahwa kecepatan ekstraksi V sebanding dengan [VO;+] dan [TBP].

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

244

ISSN 0216-3128 A. Ninik Bin/ar/i. dkk

5 10 15 20 25 30

Waktu Pengadukan, menit

Gambar 2. Hubungan waktu pengadukan terhadap

efisiensi re-ekstraksi (Er)

10 ml, diaduk dengan kecepatan 600 rpm dikenakan waktu pengadukan dari 5, 10, 15, 20, 25 dan 30 men it. Sesudah pengadukan didiamkan

sebentar sampai kira-kira tercapai kesetimbangan, sesudah itu kedua rasa dipisahkan. Fasa membran dipecah dengan pemanasan, pengadukan atau dengan diberi butanol beberapa teres sampai terpisah menjadi dua rasa untuk dipisahkan rasa air internal dari rasa organiknya. Umpan mula-mula, rasa air eksternal sesudah ekstraksi clan rasa air internal sesudah pemecahan membran dianalisis clan ditentukan waktu pengadukan yang relatif baik untuk ekstraksi.

b. Pekerjaan a diulangi dengan variasi kecepatan pengadukan dari 400, 600, 800, 1.000 clan 1.200 rpm dengan waktu pengadukan yang relatif baik sebagai hasil percobaan No. I.

c. Pekerjaan a diulangi dengan variasi keasaman umpan dari I, 2, 3, 4 dan 5 M HNO3 dengan waktu dan kecepatan pengadukan yang terbaik dari hasil percobaan a clan b.

HASIL

DAN PEMBAHASAN

Pada percobaan pembuatan membran diperoleh bahwa membran dari rasa organik yang terdiri dari 10% volume TBP, 5% volume Span-gO, pH rasa air internal 10-11, waktu emulsifikasi 20 men it, kecepatan pengadukan 9.000 rpm dan perbandingan rasa air terhadap organik I: 1 mempunyai kestabilan membran yang paling lama.

Gambar 3. Hubungan waktu pengadukan terhadap

faktor pisah U-Ru dan efisiensi ekstraksi

uranium

Pada saat pengadukan mencapai 5 menit akan memberikan hasil pemisahan V terhadap Ru relatif baik, yang dapat ditandai dengan melihat besamya faktor pisah V-Ru clan efisiensi total V, bersama-sama dibandingkan dengan hasil pemisahan untuk waktu pengadukan yang lain. Vntuk pertambahan waktu pengadukan yang memberikan hasil pemisahan yang cenderung menurun, mungkin ini disebabkan ada sebagian dari film pelindung butir-butir terdispersi yang robek karena terkena tenaga pengadukan yng terlalu lama sehingga ada sebagian dari rasa air internal yang keluar dan bergabung dengan rasa air ekstemal clan mengakibatkan volume rasa air internal berkurang. Hal yang sebaliknya dapat juga terjadi yaitu rasa air ekstemal masuk ke rasa membran sehingga hasil pengadukan merupakan campuran homogen yang memberikan dampak waktu pisah antara membran dengan rasa air ekstemallebih lama.

Penelitian

pengaruh

waktu

pengadukan.

Dari gambar 1, 2 clan 3 dapat diamati bahwa waktu pengadukan berpengaruh terhadap

efisiensi ekstraksi (E.), efisiensi re-ekstraksi (EJ, faktor pisah clan efisiensi total (Ea). Pada pertambahan waktu pengadukan memperlihatkan hasil ekstraksi dan re-ekstraksi yang agak menurun , begitu pula dengan efisiensi total uranium.

50

---::--~

l 40

j 30

.-20

~

.!_{w 10}

r;

--""

~

~ _~~ 0

Penelitian

pengaruh

kecepatan

pengadukan

Oari gambar 4, 5, dan 6 dapat dilihat bahwa

kecepatan pengadukan berpengaruh terhadap

efisiensi ekstraksi (Ec), efisiensi re-ekstraksi (E,), faktor pisah dan efisiensi total (Et). Kecepatan

5 10 15 20 25 30

Wak1u Pengadukan, menit

Gambar I. Hubungan waktu pengadukan terhadap

efisiensi ekstraksi (Ee)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan T eknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

A. Ninik Bintarti, dkk

ISSN

0216-3128

₂₄₅

pengadukan perlu diberikan untuk berlangsungnya proses ekstraksi yang membutuhkan kontak yang lebih baik antara rasa air ekstemal dengan rasa membran. Dalam proses ekstraksi diperlukan tenaga untuk mencampur kedua rasa clan tenaga ini diperoleh dengan cara pengadukan yang akan memberikan aliran kepada sistem.

dengan pelarut. Kontak kedua rasa akan semakin efektif jika kecepatan pengadukan bertambah besar dan pada kecepatan 800 rpm memberikan hasil pemisahan relatif baik berdasarkan harga efisiensi total uranium dan faktor pisah U-Ru. Untuk kenaikan kecepatan yang lebih tinggi lagi, hasil pemisahan cenderung menurun dan yang menyebabkan mungkin adalah ada sebagian dari film pelindung butir-butir terdispersi yang rusak terkena pengadukan yang semakin cepat.

Penelitian

pengaruh

keasaman

umpan.

100

t

~

~

.~ .~ £ w 80 u 60

pu-

-40

Gambar 4. Hubungan

kecepatan pengadukan

terhadap

efisiensi ekstraksi

20 0

1 2 3 4 5

Keasaman Umpan, M '.

Gambar 7, Hubungan keasaman umpan terhadap efisiensi ekstraksi (Ee)

.-40 u

l

i

x a: 2

"

;;

'"

_w '\ 30 20 Ru 10 50

l

40

I

30

a: 20

j

10

If; 0 l;!.

"

0

"

400 600 600 1000 1200 Kecepatan Pengadukan , !pm

Gambar 5. Hubungan

kecepatan pengadukan

terhadap

efisiensi re-ekstrak.ri

Cu 2 20 5 ,- '

;/

;.;..-""

:::-:~~~;;~~~~z

EI.

U

-', U-Ru -~~ ' ", , 3 Keasaman Umpan. M

Galnbar 8. Hubungan keasaman umpan terhadap

efisiensi re-ekstraksi

15 .;./ ~ 3 n: ~ ~ 2 If 10 7 30 h ~

~

1 , I I

~ 4r'

5 m

~

~ c ~ 2 c: 3

l:

0 600 800 1000 1200 Kecepatan Pengadukan. rpm

Gambar 6. Hubungan

kecepatan pengadukan

terhadap

faktor pisah U-Ru don efisiensi

total uranium

Secara fisis disebutkan sistem diberi tegangan geser dan kontak kedua rasa terjadi pada saat tegangan geser mengalahkan tegangan antar muka kedua rasa, sehingga umpan tersebar masuk kc rasa membran dan tcrjadilah kontak zat terlarut

0 400

1 2 3 4 5

Keasaman Umpan. M

Gambar 9. Hubungan keasaman umpan terhadap

faktor pisah U-Ru don eflsiensi total

uranium

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

246

ISSN 0216-3128 A. Ninik Bin/or/i. dkk

Membrane Process., Ind. Eng. Chem. Res., pp.32. 143 -147. (1993).

5. HA YWOI{I{,)'i. 11.(;., UUI{NS. W.A., Extraction of Uranium from Wed Process Phosphoric Acid By Liquid Membrane., Sep. Sci. Technol.(1983).

6. Y. MORI., H VEMAE., S.HtBINO., W.EGUCHI., " Proper Condition of the Surfactant Liquid Membrane for The Recovery and Concentration of Cr(VI) Irom Aqueous Sulfuric Acid Solution"., ICE. January (1990). 7. ANIRUDDHA., J.SHERE and H. MICHAEL

CHEUNG" "Effect of Preparation Parameters on Leakege ill Liquid Surfactant Membrane System"" Dep. Of Chemical Engineering The University of Akron" Ohio., (1988).

Dari gambar 7, 8 dan 9 dapat dilihat bahwa konsentrasi HNO3 dalam larutan umpan dapat mempengaruhi hasil-hasil ekstraksi dun rc-l.'kstruksi U. Dari konsentrasi HNO3 1 M hingga 5 M, maka ada kenaikan efisiensi ekstraksi karena kekuatan ionik (Il) semakin besar, sedangkan meningkatnya kekuatan ionik me-nyebabkan koefisien aktivasi (y) uranium berkurang, sehingga berakibat efisiensi ekstraksi naik. Sebaliknya re-ekstraksi sesudah 3 M cenderung menurun dan hal ini mungkin disebabkan ada sebagian HNO3 ikut terekstrak oleh TBP membentuk komplek TBP-nitrat. Disamping itu pad a keasaman umpan yang tinggi menyebabkan membran cepat rusak selama proscs ekstraksi, sehingga hasilnya menurun atau proses ekstraksi tidak dapat berlangsung.

Dari gambar 7, 8 dan 9 dipilih keasaman umpan 2 M karena memberikan hasil pemisahan re.latif baik dengan melihat efisiensi total uranium 26% dan faktor pisah U-Ru 5,5.

TANYA JAWAB

KESIMPULAN

Dari hasil percobaan dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa pad a pengamatan ketiga variabel yang telah diteliti diperoleh kondisi yang relatif baik yaitu waktu pengadukan 5 mcnit, kecepatan pengadukan 800 rpm dan keasaman 2 M mcmberikan faktor pisah U-Ru 5,5 dan efisiensi uranium 26 %.

UCAPAN

TERIMA

KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepada sdri. Amin Kusmiyatun, mahasiswa STTL Yogyakarta yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian ini

DAFTAR

PUSTAKA

Dwi Wahini Nurhayati

» Kenapa keasaman umpan semakin tinggi memberikan effisiensi semakin besar ?

» Apa yang menyebabkan effisiensi ekstraksi menurun setelah pengadukan lebih dari 5 menit ? A.Ninik Bintarti

..:;.. Pada keasaman yang .\'emakin tinggi maka kekuatan ionik (,u) makin tinggi yang menyebabkan koefisien aktivitas (y) menurun sehingga efisiensi semakin besar don bisa dijelaskan sbb,:

9 Jika ion logam Mn+ don solven S' : 9 Mn+ + mS' -+ MSn

Hukum aksi massa harga k dalam aktivitas (a) = yconsentrasi,

a MSn yMSn ~~

K,\& = a Mn+ .as- = yMR+:yS:-'lMn+ 1s- r

Hukum Limit Deye-Hackel : log Yi = -0,509 Zj 2 Y,u

..:;.. Pada waktu pengadukan lebih dari 5 menit, mungkin sudah ado sebagian film antar muka sebagai pelindung mekanik yang rusak sehingga efisiensi ekstraksi menurun

1. JOHANES. H., Pengantar Kimia Koloid dan Kimia Pemukaan., UGM Press., Yogyakarta .(1973).

2. LONG. J T.. " Engineering for Nuclear Fuel Reprocessing"., ANS., Oak Ridge Tenese.

(1978)

3. MOH. ANIF ., Emulsi., Fak. Famasi UGM

Yogyakarta (1982).

4. ABOU-NEMEH and VAN PATHE-GEN., Membran Recycling in The Liquid Surfactant

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

Wisjachudin F.dkk ISSN 0216-3128

241

.

-<>- Kedalamannya disesuaikan dengan beradanya airtanah tertahan pada lokasi tersebut (70.90 meter) pada sumur dalam. berarti konsentrasi C-14 atau 0-18 selalu

berubah-ubah, bagaimana menurut Bapak ? » Kedalaman pengambilan cuplikan apakah sangat

mempengaruhi ?

Wisjachudin F.

.{.- Airtanah yang diambil ada/ah dari sulllur do/am pada daerah air tertahan (dilapisi batuan tahan Ikedap air baik bagian bawah maupun bagian alas). Jadi per/akuannya sarna, sehingga cup/ikon sudah memenuhi syarat untuk diana/isis.

Taxwim

);. Apakah umur air tanah tersebut dapat dipengaruhi absorbsi air laut, sebab ada tanah yang mendapat serapan dari laut ?

Wisjachudin F.

~ Pengambi/an

cup/ikon pada kondisi tersebut

sanga/ dihindari, cup/ikon airtanah diambi/

dari sumur do/am (70-90 meter).

Prosiding Per1emuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakar1a. 25 -26 Juli 2000