PEMBUATAN FILTER KERAMIK BERBAHAN DASAR TANAH LIAT
SEBAGAI KANDIDAT PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIR
Tri Joko Prihatin
Dosen Pembimbing: Widya Rosita, S.T., M.T., Ferdianyah, S.T., M.Eng.
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika No.2 Yogyakarta ABSTRAK
PEMBUATAN FILTER KERAMIK BERBAHAN DASAR TANAH LIAT SEBAGAI KANDIDAT PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIR. Proses pembuatan filter keramik diawali dengan preparasi bahan selanjutnya homogenisasi tanah liat (85%wt) dan jenis arang. Arang yang digunakan adalah arang sekam padi, arang tempurung kelapa dan arang kayu kesambi masing-masing 15%wt. Dibuat adonan hidroplastis dengan menambahkan 25 ml lalu dicetak dengan variasi tekanan 5,73 MPa, 7,01 MPa, 8,28 MPa dan 9,55 MPa. Proses pengeringan dilakukan bertahap untuk menghindari keretakan. Selanjutnya pembakaran dalam furnace. Suhu ditahan selama 4 jam pada 1000oC dengan kenaikan suhu 5oC/menit. Kemudian penghalusan dan perendaman menggunakan aquades selama 24 jam untuk menghilangkan pengotornya.
Pengujian filtrasi dilakukan dengan mengalirkan limbah radioaktif simulasi90Sr. Setelah itu dilakukan filtrasi dengan air sampel untuk memperoleh filter keramik optimum. Hasil percobaan menunjukkan adanya pengaruh tekanan pencetakan dan jenis arang yang digunakan. Filter optimum yang digunakan untuk pengolahan limbah radioaktif cair dipilih filter keramik dengan bahan tambahan arang tempurung kelapa dengan tekanan pencetakan 9,55 MPa. Filter tersebut memiliki unjuk kerja dengan kuat tekan sebesar 19,64 MPa, fluks 3,21 l/m2.jam, penurunan TDS 19,68%. Filter optimum memiliki faktor dekontaminasi 3,22 dan faktor rejeksi terhadap Sr sebesar 0,69.
Katakunci : pengolahan limbah radioaktif cair, filter keramik, tanah liat, arang.
ABSTRACT
MAKING OF CLAY-BASED CERAMIC FILTER AS THE CANDIDATE OF LIQUID RADIOACTIVE WASTE PROCESSING. The manufacturing process begins with the preparation of ceramic material. The type of charcoal that used are charcoal husk, coconut shell charcoal and wood of kesambi charcoal with 15%wt for each and 85%wt of clay. Hydroplastic dough is made by adding 25 ml and then casted with variations in pressure 5.73 MPa, 7.01 MPa, 8.28 MPa and 9.55 MPa. The drying process is done gradually to avoid cracking. Furthermore, the temperature was held for 4 hours at 1000oC and the temperature rise of 5oC/minute. Tests carried out by the filtration of90Sr radioactive simulation waste. Once that was done with the filtration of water samples to obtain the optimum filter. The results showed the influence of the casting pressure and the type of charcoal used to produce filter. Optimal filter used for processing liquid radioactive waste with ceramic filters selected additional ingredients from coconut shell charcoal with a pressure of 9.55 MPa molding. Filter has the performance of 19.64 MPa for compressive strength, 3.21 l/m2.hour for flux, TDS decreased to 19.68%. Optimal ceramics filters has decontamination factor of 3.22 and has rejection factor of 0.69.
Keywords : liquid radioactive waste processing, ceramic filter, clay, charcoal.
1. Pendahuluan
Limbah radioaktif memiliki potensi bagi manusia. Dalam limbah ini terdapat kandungan logam berat yang bersifat radioaktif. Salah satunya adalah radionuklida 90Sr yang memancarkan radiasi beta murni dan mempunyai waktu paro 28,1 tahun. Radionuklida ini juga memiliki sifat kimia yang sama dengan unsur kalsium, sehingga
kemungkinan dapat terserap ke dalam tubuh makhluk hidup baik melalui saluran pencernaan maupun saluran pernafasan. Setelah memasuki organ tubuh makhluk hidup sebagian besar 90Sr akan terdeposit di dalam tulang dan sumsum tulang. 90Sr di dalam organ tubuh dapat menimbulkan efek yang sangat berbahaya diantaranya menyebabkan terjadinya kanker tulang
dan leukemia. Untuk itu perlu dilakukan penanganan yang baik [1].
Teknologi ultrafiltrasi telah banyak di bidang indutri pengolahan air dan pengolahan limbah cair.
Pada pengolahan limbah bidang kenukliran, teknologi ultrafiltrasi digunakan untuk pengolahan limbah laundri dari instalasi PLTN dan laboratorium [2]. Pada penelitian ini penggunaan ultrafiltrasi ditingkatkan pada level pengolahan limbah radioaktif tingkat menengah dengan simulasi menggunakan isotop radionuklida 90Sr yaitu stronsium stabil.
2. Dasar Teori
2.1. Pengolahan Limbah Radioaktif Cair Pengolahan limbah radioaktif pada dasarnya adalah usaha untuk memungut kembali zat radioaktif dari limbah dan mengungkungnya agar tidak tersebar dan membahayakan manusia dan lingkungan [3].
Pada pengolahan limbah radioaktif cair, fraksi radioaktif dikonsentrasikan menjadi sejumlah residu dalam volume kecil yang kemudian dipisahkan dari cairan limbah mula-mula.
Konsentrat aktif tersebut diperlakukan lebih lanjut dalam proses pemadatan, sedang beningan hasil pengolahanan diencerkan dan didispersikan ke lingkungan atau didaur ulang lagi agar konsentratnya memenuhi keselamatan lingkungan [3].
Limbah radioaktif cair dapat diolah dengan beberapa cara yaitu pengolahan dengan metode kimia, evaporasi, penukar ion dan sorpsi [4].
III.2. Fluks
Fluks adalah jumlah volume larutan yang mampu melewati suatu filter dalam waktu tertentu dan luasan tertentu yang diakibatkan oleh perbedaan tekanan dalam suatu media yang dipisahkan oleh membran filter [1]. Fluks dirumuskan sebagai berikut:
= . ( 3.1 )
Dimana J : fluks (l/m2.jam); V: Volum produk (l);
A: Luas permukaan sentuh (m2); t : waktu (jam) III.3. Kuat Tekan
Tujuan uji beban pada dasarnya adalah untuk membuktikan bahwa tingkat keamanan suatu struktur atau bagian dari struktur sudah memenuhi persyaratan peraturan bangunan yang ada, yang tujuannya untuk menjamin keselamatan umum.
Oleh karena itu biasanya uji beban hanya dipusatkan pada bagian-bagian struktur yang dicurigai tidak memenuhi persyaratan tingkat keamanan berdasarkan data-data hasil pengujian material dan hasil pengamatan.
σ = (3.3)
dimanaσ : kuat tekan (N/m2); F: beban gaya (N);
A: Luas permukaan sentuh (m2) III.4. Porositas
Porositas semu dapat ditentukan dengan metode serapan (adsorbtion methode). Persentase porositas keramik dapat diketahui berdasarkan daya serap bahan terhadap air, yaitu volum air yang diserap dengan volum total sampel. secara matematis hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut (Gurning,. J.1994) [6]:
% = ( )/ × 100% (3.4)
III.5. Selektifitas
Selektifitas suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu membran untuk menahan suatu spesi atau melewatkan suatu spesi tertentu.
Parameter yang digunakan untuk menggambarkan selektifitas membran adalah koefisien rejeksi (R).
Koefisien rejeksi adalah fraksi konsentrasi zat terlarut yang tidak menembus membran dan dirumuskan sebagai [6]:
= 1 (3.5)
Dimana R: faktor rejeksi; Cp: konsentrasi produk Cf:konsentrasi awal limbah
III.6. Faktor Dekontaminasi
Faktor Dekontaminasi (FD) merupakan perbandingan antara aktivitas limbah cair sebelum diolah dengan aktivitas setelah diolah. Setiap teknologi memiliki FD yang berbeda-beda, sehingga pemilihan teknologi harus mempertimbang -kan hal tersebut dikaitkan dengan aktivitas limbah awal dan batas yang diijinkan di negara tersebut [7].
= (3.6)
3. TATAKERJA (BAHAN DAN METODE) 3. 1. Persiapan Bahan
3.1.1.Tanah liat
Pengeringan dilakukan dengan penjemuran sinar matahari selama 12 jam. Penggilingan bahan menggunakan Ball Mill untuk selanjutnya dioven 50oC untuk menghindari penggumpalan sehingga mempermudah pengayakan dengan sieve 200 mesh.
3.1.2. Arang
Terdapat tiga (3) jenis arang yang digunakan, yaitu arang sekam padi, arang tempurung kelapa dan arang kayu kesambi. Dilakukan pengeringan untuk selanjutnya dilakukan penggilingan dan pengayakan.
Dibuat campuran bahan dengan komposisi tanah liat sebesar 85%wt dan arang sebesar 15%wt untuk setiap jenis-nya dengan menimbang masing- masing bahan arang. Setelah itu, dilakukan homogenisasi campuran selama 1 jam menggunakan ball mill homogenisasi.
Air limbah simulasi dibuat dengan melarutkan padatan Sr(NO3)2 sebanyak 0,1581 gr dalam 1 L
aquades. Konsentrasi larutan sebesar 65 ppm dimana aktivitasnya setara dengan 9,32 x 103 μ Ci/ml (tergolong limbah radioaktif aktivitas menengah).
3.2. Pembuatan Filter
Campuran homogen sampel dibuat adonan dengan menambahkan aquades sebanyak 25 ml sambil diaduk. Pencetakan filter menggunakan cetakan berbentuk silinder terbuat dari besi baja berukuran diameter 20 mm dan tinggi 60 mm.
Variasi tekanan pencetakan sebesar 5,73 MPa, 7,01 MPa, 8,28 MPa dan 9,55 MPa dilakukan untuk setiap komposisi sampel. Untuk selanjutnya proses pengeringan bertahap dilakukan dengan cara mengangin-anginkan selama 2 hari, penyinaran dengan lampu pijar 25 watt selama 18 jam dan penjemuran di bawah sinar matahari selama 12 jam. Sampel kering dibakar di dalam furnace pada suhu 1000oC ditahan selama 4 jam dengan kenaikan suhu 5oC/ menit.
Sampel didinginkan selama 16 jam berada di dalam furnace. Dilakukan penghalusan permukaan filter agar halus permukaannya dan menyesuaikan ketinggian untuk memenuhi persyaratan uji kuat tekan sampel.
3.3. Pengujian
Pengujian filter meliputi:
a. Filtrasi dengan limbah simulasi
b. Filtrasi dengan air sampel untuk mendapatkan nilai fluks dan produk filtrasi untuk dilakukan analisis TDS.
c. Pengujian kuat tekan filter.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Karakteristik Filter Keramik
Dilakukan analisis kadar tanah liat dengan metode spektroskopi serapan atom. Hasil analisis ditunjukkan oleh tabel 4.1.
Tabel 4.1 Kadar Campuran Tanah Liat dari Godean
No Komponen Kadar (%)
1 Alumunium (1,07 ± 0,02) × 10
2 Magnesium (1,36 ± 0,03) × 10
3 Silikon (2,48 ± 0,07) × 10
4.1.1. Porositas
Dalam filter keramik terdapat rongga berupa pori-pori kecil yang terbentuk dari bahan tanah liat dan pori-pori dari arang. Porositas dihitung menggunakan asumsi pori-pori terbuka. Porositas keramik menunjukkan perbandingan antara volum total pori-pori terbuka dengan volum total filter keramik. Pori-pori terbuka ditunjuk-kan volum pori yang terisi air ketika proses perendaman.
Hasil penelitian porositas dapat dilihat pada tabel 4.2. Semakin besar persentase porositas menunjukkan semakin besar pula volume pori yang terdapat di dalam filter, begitu juga sebaliknya.
Sesuai dengan tabel 5.2, filter yang memiliki nilai porositas rata-rata terbesar adalah filter berbahan tambahan arang kayu kesambi. Hal ini menunjukkan bahwa pada filter berbahan tambahan arang kayu kesambi terdapat lebih berpori dibandingkan dengan filter berbahan tambahan arang sekam padi dan arang tempurung kelapa.
Tabel 4.2. Data Porositas Filter Keramik (%) Tekanan
pencetakan (MPa)
Bahan tambahan Arang
sekam Padi
Arang tempurung
kelapa
Arang kayu Kesambi
5,73 31,96 35,65 42,31
7,01 31,49 34,98 42,34
8,28 31,84 36,62 42,48
9,55 35,34 34,76 41,39
4.1.2. Kuat Tekan
Kuat tekan filter menunjukkan kemampuan filter untuk menahan besarnya beban gaya yang diberikan per satuan luas bidang sentuh.
Data eksperimen dapat dilihat pada tabel 4.3, filter dengan bahan tambahan arang sekam padi memiliki kuat tekan lebih tinggi dibandingkan dengan bahan lainnya.
Dalam arang sekam padi lebih banyak terkandung silikat dibandingkan dengan kedua arang lainnya. Silikat ini mengalami penggelasan ketika sintering sehingga akan memperkuat filter.
Semakin besar kadar silikatnya maka semakin banyak pula terjadi penggelasan. Dari penggelasan ini ikatan antar komponennya semakin kuat, sehingga semakin besar kuat tekan filter.
Tabel 4.3. Kuat Tekan Filter Keramik (MPa) Tekanan
pencetakan (MPa)
Bahan tambahan Arang
sekam Padi
Arang tempurung
Kelapa
Arang kayu Kesambi
5,73 23,29 21,80 16,43
7,01 22,61 18,54 15,58
8,28 29,82 27,19 11,65
9,55 28,21 19,64 12,06
t ekanan pencet akan ( MPa)
kuattekan(MPa)
10 9 8 7 6 30
25
20
15
10
bahan
3 1 2 Pengaruh Tekanan Pencetakan terhadap Kuat Tekan
bahan1 : tanah liat(85%wt)+ arang sekam padi(15%wt) bahan2 : tanah liat(85%wt)+ arang tempurung kelapa(15%wt) bahan3 : tanah liat(85%wt)+ arang kayu kesambi(15%wt)
Gambar 4.1. Grafik Kuat Tekan Filter Keramik Seperti tampak pada gambar 4.1 pengaruh tekanan pencetakan setiap bahan memiliki kecenderungan berbeda-beda. Pada filter berbahan tambahan kayu kesambi cenderung mengalami penurunan seiring kenaikan tekanan pencetakan.
Idealnya semakin besar tekanan pencetak-an maka semakin besar pula kuat tekan. Dengan tekanan pencetakan besar, maka jarak antar partikelnya rapat, menyebabkan porositasnya lebih kecil.
Diduga terdapat retakan kecil yang terdapat pada sisi dalam, sehingga tidak mampu diamati secara visual. Retakan kecil ini akan mempengaruhi hasil pengujian kuat tekan. Ketika diberikan gaya, distribusi gaya tidak merata karena retakan kecil ini. Selain itu juga terdapat pori-pori tertutup yang tidak terukur karena tidak mampu terisi air. Pori tertutup ini akan menurunkan unjuk kerja kuat tekan.
4.2. Filtrasi Air Sampel
Air sampel yang digunakan dalam penelitian berasal dari Kecamatan Tepus, Kabupaten Gunung Kidul. Secara visual, air sampel lebih keruh dibandingkan dengan air tanah yang berasal dari laboratorium. Uji laboratorium menunjukkan kadar Ca terlarut sebesar 62,72 mg/l, nilai TDS 249 ppm dan nilai kekeruhan 5,98 NTU.
4.2.1. Pengaruh Tekanan Pencetakan terhadap Fluks
Fluks dari suatu filter dapat diartikan sebagai banyaknya umpan yang mampu dilewatkan ketika proses filtrasi pada filter setiap satuan luas penampang filter pada selang waktu tertentu.
Tabel 4.4. Data Fluks Filter Keramik (l/m2.jam) Tekanan
pencetakan (MPa)
Bahan tambahan Arang
sekam Padi
Arang tempurung
Kelapa
Arang kayu Kesambi
5,73 3,17 4,15 8,51
7,01 3,10 3,51 7,22
8,28 2,41 3,37 8,34
9,55 2,47 3,21 6,91
t ekanan pencet akan ( MPa)
fluks(L/m2.jam)
10 9
8 7
6 9 8 7 6 5 4 3 2
bahan
3 1 2
Pengaruh Tekanan Pencetakan terhadap Fluks
bahan1 : tanah liat (85%wt)+ arang sekam padi (15%wt) bahan2 : tanah liat (85%wt)+ arang tempurung kelapa(15%wt) bahan3 : tanah liat (85%wt)+ arang kayu kesambi(15%wt)
Gambar 4.2. Grafik Fluks Filter Keramik Hasil penelitian menunjukan bahwa tekanan pencetakan masing-masing bahan cenderung mengalami penurunan fluks, seperti tampak pada gambar 4.2. Hal ini menunjukkan semakin besar tekanan pencetakan semakin kecil fluks pada filter keramik
Dengan tekanan pencetakan yang besar maka jarak antar partikel tanah liat semakin rapat sehingga pori yang terbentuk berukuran lebih kecil.
Pori yang berukuran kecil hanya mampu melewatkan sejumlah air dengan volum kecil pula.
Dengan demikian nilai fluksnya juga kecil pada luasan dan selang waktu yang sama.
Gambar 4.2 menunjukkan bahwa filter berbahan tambahan arang kayu kesambi memiliki fluks terbesar dibandingkan dengan campuran arang tempurung kelapa dan campuran arang sekam padi. Hal ini disebabkan filter keramik berbahan tambahan arang kayu kesambi tersebut memiliki porositas lebih besar dibandingkan dengan filter berbahan arang lainnya.
V.2.2. Pengaruh Tekanan Pencetakan terhadap Penurunan TDS
TDS (Total Dissolved Solid) yaitu ukuran zat terlarut (baik itu zat organik maupun anorganik) yang terdapat pada air sampel. TDS menggambarkan jumlah zat terlarut dalam part per million (ppm).
Air sampel yang digunakan pada penelitian memiliki nilai TDS sebesar 249 ppm. Data eksperimen ditunjukkan pada tabel 4.5.
Tabel 5.5. Data Penurunan TDS (%) Tekanan
pencetakan (MPa)
Bahan tambahan Arang
sekam Padi
Arang tempurung
Kelapa
Arang kayu Kesambi
5,73 17,27 14,86 14,46
7,01 16,88 17,27 16,06
8,28 19,28 17,67 16,87
9,55 20,48 19,68 18,07
t ekanan pencet akan ( MPa)
persentasepenurunanTDS(%)
10 9
8 7 6 21 20 19 18 17 16 15 14
bahan
3 1 2
Pengaruh Tekanan Pencetakan terhadap Penurunan TDS
bahan1 : tanah liat (85%wt)+ arang sekam padi (15%wt) bahan2 : tanah liat (85%wt)+ arang tempurung kelapa (15%wt) bahan3: tanah liat (85%wt)+ arang kayu kesambi (15%wt)
Gambar 4.3. Grafik Penurunan TDS Berdasarkan gambar 4.3, filter berbahan tambahan arang sekam padi memiliki penurunan TDS terbesar dibandingkan dengan bahan tambahan lainnya. Kadar silikat yang lebih tinggi pada arang sekam padi dibandingkan lainnya menyebabkan lebih banyak terjadi penggelasan, yang mana akan mempersempit dan mengisi pori- pori pada filter keramik. Dengan ukuran yang lebih sempit, pori akan lebih selektif terhadap zat berdasarkan ukuran-nya. Zat terlarut dalam air sampel yang memiliki ukuran lebih besar dari pori akan tertahan oleh pori-pori pada filter.
Pada gambar 4.3, terlihat kenaikan persentase penurunan TDS terhadap kenaikan tekanan penceta-kan filter. Perlu diingat, semakin besar tekanan pencetakan semakin besar pula gaya yang diberikan untuk menekan material sehingga jarak antar partikel tanah liat semakin rapat. Dengan jarak semakin rapat maka rongga yang terbentuk ketika proses sintering, memiliki ukuran semakin kecil. Dengan rongga yang kecil ini, filter hanya akan melewatkan zat terlarut (baik itu zat organik maupun anorganik) yang memiliki struktur lebih kecil dari rongga pori tersebut.
4.3. Filter Keramik sebagai Pengolahan Limbah Radioaktif Cair
Dengan pertimbangan semua parameter dipilih filter dengan bahan tambahan arang tempurung kelapa yang dicetak pada tekanan 9,55 MPa. Filter tersebut memiliki kuat tekan sebesar 19,64 MPa, fluks sebesar 3,21 l/m2.jam dan penurunan TDS sebesar 19,68%.
Konsentrasi stronsium pada produk filtrasi limbah radioaktif simulasi sebesar 20,19 ppm dimana konsentrasi pada umpan sebesar 65 ppm.
Selektifitas filter dinyatakan dalam koefisien rejeksi sebesar 0,69. Selektifitas suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu membran untuk menahan suatu spesi atau melewatkan suatu spesi tertentu. Koefisien rejeksi filter dihitung dari perbandingan pengurangan kadar stronsium setelah mengalami proses filtrasi terhadap konsentrasi umpan.
Aktivitas awal pada umpan simulasi sebesar 9,32 x 103 μ Ci/ml dimana termasuk limbah radioaktif cair kategori 4. Dalam pengolahannya memerlukan perisai penahan radiasi. Produk filtrasi simulasi filter keramik terhitung sebesar 2,895 x 103 μ Ci/ml. Dengan membandingkan keduanya didapatkan faktor dekontaminasi sebesar 3,22.
Menurut Batas ambang kandungan stronsium dalam air menurut SK DIRJEN BATAN No.24/DJ/II/1993 sebesar 4.10-7uCi/ml untuk umum dan 1.10-5uCi/ml untuk pekerja radiasi [35].
Untuk memenuhi batas aman tersebut bisa dilakukan variasi pemasangan filter, misal dengan melakukan penyaringan bertingkat. Variasi dapat dilakukan sesuai dengan kebutuhan.
5. Kesimpulan
Filter optimum sebagai kandidat pengolahan limbah radioaktif cair addalah filter keramik dengan bahan tambahan arang tempurung kelapa (15%wt) yang dicetak pada tekanan 9,55 MPa.
Filter tersebut memiliki karakteristik : a. Kuat tekan 19,64 MPa b. Fluks 3,21 l/m2.jam
c. Penurunan TDS sebesar 19,68%.
d. Penurunan kekeruhan 89,13 %
e. Kadar kalsium pada hasil filtrasinya sebesar 78,40 mg/l.
f. R=0,69 pada umpan 65 ppm g. FD=3,22
Daftar Pustaka
[1] Hasan, M. Heikal. Pengaruh Komposisi Campuran dan Ukuran Butir terhadap Unjuk Kerja Filtrasi dan Kekuatan mekanik Filter Keramik Berbahan Dasar Tanah Liat.
Skripsi, Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada.
Yogyakarta. 2009.
[2] Application of Membrane Technologies For Liquid Radioactive Waste Processing.
Technical Report Series No.431. IAEA.
Vienna.2004.
[3] Rosita, Widya. Pengaruh Ukuran Butir Zeolit Cipatujah Dan Kecepatan Alir Umpan Pada Pengolahan Limbah Cair Sr- 90. Jurusan Teknik Nuklir Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada. Yogyakarta.1997.
[4] Ronodirjo, S. Pengolahan Sampah Radioaktif. Batan, Yogyakarta. 1982.
[5] Standar Nasional Indonesia No. 06-6989.13- 2 tentang uji kesadahan air
[6] Tambunana, Tiar Delimawati. Pembuatan Keramik Berpori Sebagai Filter Gas Buang Dengan Aditif Karbon Aktif. Sekolah Pasca Sarjana Universitas Sumatera Utara.Medan.
2008.
[7] Putero, Susetyo Haryo. Teknologi Pengolahan Limbah Radioaktif. Diktat, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik UGM. 2010
[8] Google. Kekeruhan. Diakses dari
http://repository.usu.ac.id/123456789/13980 /1/09E00369 12 agustus 2010
[9] SK DIRJEN BATAN No.24/DJ/II/1993
