PEMISAHAN U DARI UNSUR-UNSUR PENGOTOR Zr DAN Ru DENGAN CARA MEMBRAN EMULSI MEMAKAI D2EHPA

Transkripsi

1 ISSN Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nuklir V P2TBDU dan P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2 PEMISAHAN U DARI UNSUR-UNSUR PENGOTOR Zr DAN Ru DENGAN CARA MEMBRAN EMULSI MEMAKAI D2EHPA ABSTRAK Dwi Biyantoro, R. Subagiono, Kris Tri Basuki, Rosyidin Pusat Penelitian dan Pen gem bang an Teknologi Maju PEMISAHAN U OARI UNSUR-UNSUR PENGOTOR Zr DAN Ru OENGAN CARA MEMBRAN EMULSI MEMAKAI 2EHPA. Telah dilakukan ekstraksi campuran uranium, zirkonium dan rutenium dalam asam nitrat dengan metoda membran emulsi menggunakan surfaktan span 8 dan ekstraktan di-(2-etil heksil)-fosfat (O2EHPA) -kerosen dengan fasa air internal asam fosfat. Proses pemisahan dilakukan dengan cara ekstraksi membran emulsi yaitu gabungan dari proses ekstraksi dan stripping. Parameter proses yang dipelajari yaitu konsentrasi fasa air internal asam fosfat dalam membran, molaritas asam nitrat dalam umpan, konsentrasi ekstraktan dan konsentrasi larutan umpan. Oari data percobaan ekstraksi dengan metoda membran emulsi memakai umpan campuran uranium, zirkonium dan rutenium dengan kadar uranium sebesar 2. ppm, zirkonium sebesar 18 ppm dan rutenium sebesar 1 ppm diperoleh efisiensi total uranium = 67,48 % pada kondisi optimum sebagai berikut : molaritas H3PO4 = 1,5 M, molaritas HNO3 = 3 M, konsentrasi 2EHPA dalam kerosen = 5 %. ABSTRACT SEPARATION OF U FROM Zr AND Ru IMPURITIES BY LIQUID SURFACTANT MEMBRANE WITH DI-(2-ETHYL HEXYL) PHOSPHORIC ACID. The extraction of the uranium, zirconium and ruthenium mixture in a nitric acid solution by method of liquid surfactant membrane using span 8 as surfactant and extractant of di-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid (D2EHPA) in kerosene with phosphoric acid as intemal phase had been done. This technique is the combination of extraction and stripping processes which is working simultaneously. The parameters studied were the molarity of phosphoric acid (H3PO4) as intemal phase, the molarity of nitric acid (HNO3) in the feed, the concentration of di-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid in kerosene as extractant, and the consentration of uranium in the feed. The data for the separation of 2, ppm of uranium, 18 ppm of zirconium and 1 ppm of ruthenium show that the total effciency of uranium was 67,48 % at the optimum conditions such as the 1,5 M of H3PO4, 3 M of HNO3, 5 % of D2EHPA in kerosene PENDAHULUAN Salah satu ekstrakstan yang sering digunakan dalam proses ekstraksi yaitu Uranium adalah salah satu bahan D2EHPA [di-(2-etil heksil) fosfat] dengan bakar nuklir yang sering digunakan dalam pengencer kerogen [21. reaktor nuklir karena dapat bereaksi dengan neutron menghasilkan panas yang tinggi Di-(2-etil h~ksil) fosfat sering yang dapat dimanfaatkan untuk pembangkit digunakan dalam proses ekstraksi cair-cair listrik tenaga nuklir (PL TN). Dalam bahan karena kestabilan kimianya yang baik, bakar bekas reaktor nuklir terutama jenis kelarutannya rendah di dalam larutan asam, dan selektivitasnya tinggi untuk ion-ion LWR pad a umumnya masih banyak mengandung uranium yang perlu dipisahkan logam[31. dari unsur-unsur radioaktif hasil belah dari Dengan berkembangnya metoda reaksi inti di dalam teras reaktor agar dapat emulsi membran cair atau Liquid Surfactan digunakan kembali. Supaya dapat digunakan Membrane (LSM), pemisahan suatu unsur kembali sebagai bahan bakar, uranium harus dengan proses ekstraksi yang meliputi dipisahkan dari hasil belah melalui proses skrabing, dan stripping dapat dipendekkan ekstraksi, membran emulsi dan lain-lain untuk mendapatkan uranium berderajad nuklir. Zirkonium (Zr) dan rutenium (Ru) adalah nuklida hasil belah yang perlu dipisahkan karena mempunyai penampang lintang serapan neutron besar yang dapat mempengaruhi ekonomi neutron sekaligus menurunkan efisiensi kerja dan daya reaktor1]. hanya dengan satu sistem proses membran emulsi, sehingga akan menghemat waktu dan biaya [41. Dengan pertimbangan di alas dilakukan percobaan pemisahan/pemurnian uranium dari campuran uranium dan rutenium dengan metoda membran emulsi. Pada pembentukan membran emulsi diperlukan surfaktan sebagai zat pemantap supaya 69

2 3. Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir V P27BDU dan P2BGN-BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2 ISSN emulsi terdispersi dengan suatu lapisan tipis sehingga butir tidak dapat bergabung menjadi suatu fasa kontinyu. Jenis surfaktan akan menentukan tipe emulsi yang diperoleh tipe air dalam minyak (NM) atau minyak dalam air (MIA). Untuk memperoleh emulsi tipe NM dapat digunakan surfaktan Span 8 yang mempunyai nilai HLB (hydrophile-lipophilebalance) sebesar 4,3. Span 8 sendiri merupakan surfaktan non ionik dari campuran bermacam-macam ester [Sorbitan mono di tri cleat (RCOOR)], komponen meta sorbitol (R'OH), asam cleat (R'COOH) dan air. Span 8 akan mengalami dekomposisi dalam fasa air internal yang akan memberikan kestabilan pad a emulsi J. Langkah percobaan yang dikerjakan yaitu: pembuatan membran emulsi (mencampur fasa air internal asam fosfat dengan fasa organik di-(2-etil heksil)-fosfat, kerogen dan surfaktan span 8). Langkah selanjutnya adalah mencampur fasa membran dengan fasa umpan (fasa air eksternal), kemudian ekstraksi dan stripping. Pada ekstraksi membran cair terjadi kontak antara umpan dengan membran, solute yang berada dalam fasa umpan (air eksternal) masuk ke fasa membran secara difusi [6]. Membran emulsi setelah dipakai untuk mengekstraksi dilanjutkan dengan stripping yaitu pemecahan membran dengan bantuan butanol untuk memisahkan fasa air internal yang telah mengandung solute dari fasa organiknya. Di-(2-etil heksil}-fosfat (D2EHPA), tributil fosfat (TBP), dan tri oktil am in (TOA) adalah salven yang dapat dibuat membran cair untuk ekstraksi logam uranium dan logam-logam lain. Sebagai pengencer dapat digunakan kerosen, dodekan, dan toluen. Untuk memisahkan uranium dari logamlogam hasil belah dapat dilakukan di dalam larutan asam klorida, asam nitrat, asam sulfat, dan asam asetat [7]. Dari penjelasan di atas tampak bahwa konsentrasi asam sangat berpengaruh terhadap pemisahan uranium dari nuklida hasil belah. Pad a penelitian ini dicoba dipakai umpan dalam larutan asam nitrat. Menurut Huang dan Huang [3), ekstraksi uranium (VI) dari larutan asam nitrat dengan D2EHPA (HR) dapat ditulis sebagai: UO H2R2 + HNO3 <> UO2(HR2)2.HNO3 + 2 H+ Menurut Sato, D2EHPA (HR) adalah ekstraktan yang cocok dan sering dipakai untuk ekstraksi uranium dan logam-logam yang lain, karena selektivitas dan efektivitasnya tinggi. Reaksi antara uranium dan D2EHPA pada keasaman rendah mengikuti reaksi pertukaran kation yang dapat ditulis sebagai [2]: UO22+(a) + 2 (HR)2(O) <=> + UO2R4H2(o) + 2 H (a) Percobaan ini mempelajari parameter-parameter yang berpengaruh terhadap kemurnian hasil pemisahan, antara lain: konsentrasi rasa air internal, keasaman larutan umpan, konsentrasi ekstraktan, dan konsentrasi uranium dalam rasa umpan. Dari parameter yang dicoba pertama kali divariasi konsentrasi rasa air internal dengan parameter yang lain dibuat tetap, diperoleh kondisi optimum konsentrasi rasa air internal. Berikutnya parameter yang dipelajari adalah keasaman larutan umpan (kondisi optimum yang diperoleh dan parameter lain dibuat tetap) akan diperoleh kondisi optimum keasaman larutan umpan. Demikian seterusnya untuk pengujian parameter yang lain. Keberhasilan proses pemisahan ini dapat dilihat dari efisiensi dan tingkat kemurnian hasil pemisahan. BAHAN, ALAT DAN TATA KERJA 1 2. Bahan Bahan yang dipakai untuk penelitian ini adalah UO2(NO3)2 6H2O = 99 %, ZrOCb 8H2O, RuCI3, H3PO4, HNO3, di-(2-etil heksil)-fosfat p =,97 kg/i, kerosen p =,8 kg/i, Surfaktan span 8 (buatan E. Merck), dan H2O. Alat Alat yang dipakai adalah almari asap, alat pengaduk, ph meter, timbangan analitik, corong pisah, alat-alat gelas, alat anal is is spektrometer pendar sinar-x, pengaduk Ultra Turrax. Tata kerja A. Pembuatan Larutan Campuran Uranium, Zirkonium dan Rutenium Nitrat (Umpan) 1. Dibuat larutan induk U = 1. ppm yaitu dengan melarutkan 14,4258 7

3 2. ISSN Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nuklir V P27BDU dan P2BGN -BA TAN Jakarta, 22 Pebruari 2 gram UO2(NO3)2 6H2O dengan 5 mlair. 2. Dibuat larutan induk Ru = 5 ppm yaitu dengan melarutkan,2565 gram RuCI3 dalam 25 ml air. 3. Dibuat larutan induk Zr = 25. ppm yaitu dengan melarutkan 8,743 gram ZrOCI28H2O dalam 1 ml air. 4. Dibuat larutan umpan campuran (U,Zr,Ru) dengan kadar: a. U = 2. ppm, Zr = 5 ppm dan Ru = 25 ppm b. U = 2. ppm, Zr = 18 ppm dan Ru = 1 ppm c. U = 25. ppm, Zr = 18 ppm dan Ru = 1 ppm d. U = 3. ppm, Zr = 18 ppm dan Ru = 1 ppm e. U = 35. ppm, Zr = 18 ppm dan Ru = 1 ppm B. Pembuatan Membran Emulsi Membran emulsi dibuat dengan cara mencampur surfaktan span 8 dengan ekstraktan di-(2-etil heksil)- fosfat dan kerosen. Campuran ditambah dengan asam fosfat sebagai fasa internal, kemudian diaduk menggunakan alat Ultra Turrax pada kecepatan 8 rpm [8]. C.Proses Ekstraksi dan Stripping 1 Umpan campuran larutan uranium, zirkonium dan rutenium nitrat dengan kadar uranium = 2. ppm, zirkonium = 5 ppm dan rutenium = 25 ppm dicampur dan diaduk dengan fasa membran emulsi dengan perbandingan volum = 1 ml : 1 ml = 1 : 1, kecepatan pengadukan 25 rpm selama = 15 men it. Setelah kedua fasa seimbang kemudian dipisahkan antara fasa membran dan fasa airnya menggunakan alai corong pisah. Untuk mengetahui kadar uranium, zirkonium dan rutenium hasil ekstraksi, fasa air dianalisis menggunakan alai spektrometer pendar sinar-x. Untuk mengetahui hasil stripping, fasa membran kemudian dipecah dengan ditetesi butanol sehingga fasa tersebut menjadi fasa air dan fasa organik. Kandungan uranium, zirkonium dan rutenium dalam fasa air hasil stripping dianalisis memakai spektrometer pendar sinar-x. Untuk analisis rutenium dibawah 1 ppm dilakukan dengan metoda adisi. Analisis masing-masing dilakukan pengukuran 3 kali, kemudian dirata-rata. Rumus yang dipakai untuk menghitung efisiensi sebagai berikut : Percobaan diulangi seperti nomor 1 di atas untuk mengetahui pengaruh konsentrasi fasa air internal asam fosfat, molaritas asam nitrat dalam umpan (fasa air eksternal), konsentrasi ekstraktan di-(2-etil heksil)-fosfat, dan konsentrasi uranium dalam umpan. Sebagai contoh menentukan kondisi optimum pengaruh konsentrasi H3PO4 variasi :,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 M Kondisi tetap : -.konsentrasi HNO3 = 3 M.rasio = fasa umpan : fasa membran = 1:1.waktu ekstraksi = 15 menit.konsentrasi DzEHPA = 5 % dalam kerosen Diperoleh kondisi optimum M H3PO4. Selanjutnya kondisi optimum yang telah diperoleh dibuat tetap, parameter lain yang dicoba divariasi, diperoleh kondisi optimum parameter 1 dan parameter 2, demikian setrerusnya sampai diperoleh kondisi optimum untuk : M H3PO4, M HNO3, % DzEHPA dalam kerosen, dan konsentrasi fasa umpan. HASIL DAN BAHASAN Parameter yang diteliti pada pemisahan campuran uranium, zirkonium dan rutenium dengan cara ekstraksi membran emulsi memakai span 8 -di-(2-etil heksil)- fosfat adalah:

4 Prosiding Presentasi I/miah Daur Bahan Bakar Nuklir V P27BDiJ dan P2BGN-BA TAN Jakalta, 22 Pebruari 2 ISSN Molaritas fasa air internal 2. Molaritas larutan umpan 3. Konsentrasi ekstraktan dalam kerosen 4. Konsentrasi fasa umpan 1. Pengaruh molaritas fasa air internal asam fosfat Keasaman larutan umpan dinyatakan dalam molar (M) HNO3 yang terlarut. Ekstraksi umpan campuran uranium, zirkonium dan rutenium (U = 2. ppm, Zr = 5 ppm dan Ru = 25 ppm) dalam suasana asam nitrat 3 M HNO3 dicampur dengan fasa membran emulsi perbandingan (ditetapkan) = 1 :1. Konsentrasi di-(2-etil heksii)-fosfat (O2EHPA) = 5% dalam kerosen, dan waktu ekstraksi selama = 15 men it. Hasil percobaan ditunjukkan pada Tabel 1 dan 2 dibawah ini. Oari data T abel 1 dan 2 di atas ditunjukkan bahwa pemisahan campuran uranium, zirkonium dan rutenium menggunakan metoda ekstraksi membran emulsi Span-8-di-(2-etil heksil)-fosfat dalam kerosen, konsentrasi fasa air internal asam fosfat sangat berpengaruh terhadap etisiensi uranium. Oari analisis fasa air hasil ekstraksi, zirkonium tidak terdeteksi, berarti hampir semua zirkonium terikat dengan membran, sedangkan pada saat stripping zirkonium tidak turun dalam fasa air, masih terikat dengan fasa organik. Oari hasil di atas tampak bahwa semakin tinggi konsentrasi fasa internal asam fosfat, uranium yang masuk ke dalam fasa membran semakin besar. Oi atas 1,5M H3PO4 efisiensi total uranium turun, hal ini karena di atas kondisi ini pada saat membran dipecah uranium sebagian masih terikat dengan fasa organik. Pada proses stripping uranium yang dapat terambil kembali paling banyak dalam fasa air internal diperoleh pad a konsentrasi = 1,5M H3PO4 dengan efisiensi total uranium = 66,48%. 2. Pengaruh molaritas lar1jtan umpan Ekstraksi umpan dengan fasa membran emulsi pada kondisi optimum fasa air internal asam fosfat dalam membran = 1,5M H3PO4. Kondisi yang lain dibuat tetap. Hasil percobaan ditunjukkan pada Tabel 3 dan 4. Tabel1 H3PO4 (M) Pengaruh molaritas fasa air internal terhadap kadar uranium pada ekstraksi dan strippinq Efisiensi Total (%) Keterangan = Fasa Air Tabel2. H3PO4 (M) -o:g-1:-~ 2F~~ Keterangan : FA = Fasa Air Pengaruh molaritas fasa air internal terhadap kadar rutenium pad a ekstraksi dan stripping Ekstraksi Rutenium Stripping Rutenium Efisiensi FA,mg I Efisiensi (%) FA,mg Efisiensi (%) Total (%) *,84 I 66,4 1,QI 57,2 " 1,731 3,8 1.36] 45,6 1,22 51,2 -:r:o5 58, FM,mg 1,66 1,43 ~ 1,14 1,28 -ra5.= Rutenium dalam FA hasil stripping tidak terdeteksi ~ 72

5 ISSN Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir V P2TBDU dan P2BGN -BATAN Jakalta, 22 Pebruari 2 Keterangan : FA = Fasa Air, 73

6 ~ Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir V P27BDU dan P2BGN-BA TAN Jakarla, 22 Pebruari 2 ISSN Tabel6. stri.o.oina Pengaruh konsentrasi ekstraktan terhadap kadar rutenium pad a ekstraksi dan Efisiensi T alai (%) Keterangan: FA == Fasa Air FM == Fasa Membran * == Rutenium dalam FA hasil stripping tidak terdeteksi Dari data Tabel 5 dan 6 di atas kembali. Hal ini karena uranium dengan di-(2- ditunjl:kkan bahwa konsentrasi di-(2-etil etil heksil)-fosfat pada konsentrasi tinggi heksil)-fosfat (D2EHPA) dalam kerogen semakin sukar untuk dipisahkan. Keadaan ini berpengaruh terhadap distribusi uranium dan ditinjau dari segi operasi akan lebih rutenium dalam membran emulsi. Seperti menguntungkan karena semakin sedikit pada pengaruh molaritas asam fosfat dan pemakaian di-(2-etil heksil)-fosfat sehingga molaritas asam nitrat, pad a ekstraksi ini dapat menghemat biaya operasi proses. h'dmpir semua zirkonium terikat dengan Pada pemakaian 5 % D2EHPA efisiensi total membran, sedangkan pada saat stripping uranium paling optimal. zirkonium tidak turun dalam fasa air, masih dengan fasa organik. Tampak pada data 4. Pengaruh konsentrasi fasa umpan tabel di atas bahwa semakin tinggi.. konsentrasi ekstraktan uranium yang masuk..ekstraksl umpa~ campuran uranium, membran semakin besar karena semakin zlrkomum dan ru:~mu~ dengan fas~ kuat mengikat uranium dan rutenium. memb:an pada ko~dlsi optl.m~m ~, b dan c dl S b I.k d t t..atas dlperoleh hasll sepertl dltunjukkan pad a e a I nya pa a saa proses s ripping, k. t.. k t. k t kt T a b e I 7 d an 8 d.b I awa h.. Inl. serna In mggl onsen rasl e s ra an, semakin rendah uranium yang dapat terambil Tabel 7. Pengaruh konsentrasi fasa umpan terhadap kadar uranium pada ekstraksi dan stripping. a. Umpan U == 2. ppm, Zr = 18 ppm dan Ru = 1 ppm b. Umpan U = 25. ppm, Zr = 18 ppm dan Ru == 1 ppm c. Umpan U = 3. ppm, Zr == 18 ppm dan Ru = 1 ppm d. Umpan U =35. ppm, Zr == 18 ppm dan Ru = 1 oom Keterangan : FA = Fasa Air Tabel 8. Pengaruh konsentrasi ekstraktan terhadap kadar rutenium pad a ekstraksi dan stripping Umpan U, E:kstraksi Rutenium Stripping Rutenium Efisiensi Total mg FA,mg FM,mg Efisiensi (%) FA,mg Efi-sTe-nsr-(Ol;;J (%) 2,45,55~=~ 55, 25,41 59, - 3,49,44,51,56 51, 56, - 35 Keterangan: FA = Fasa Air, * = Rutenium dalam FA hasil stripping tidak terdeteksi 74

7 Dari Tabel 7 di atas ditunjukkan bahwa pengaruh konsentrasi uranium pada variasi yang dicoba dari 2 mg sampai dengan 35 mg U tidak begitu menunjukkan perubahan yang berarti, hanya sedikit kecenderungan semakin tinggi konsentrasi umpan maka efisiensi total uranium sedikit menurun. SIMPULAN Pemisahan uranium dari unsur-unsur pengotor zirkonium dan rutenium dapat dilakukan dengan teknik ekstraksi membran emulsi memakai Span-8 dan D2EHPA dengan memberikan hasil memuaskan. Dan percobaan menggunakan umpan campuran uranium, zirkonium, dan rutenium dengan kadar uranium = 2. ppm, zirkonium = 18 ppm dan rutenium = 1 ppm diperoleh kondisi yang relatif baik sebagai berikut : 1. Molaritas fasa air internal dalam membran = 1,5 M H3PO4, 2. Molaritas umpan = 3 MHNO3, 3. Konsentrasi di-(2-etil heksil)-fosfat = 5% dalam kerogen, 4. Fasa umpan = 2. ppm U. Pada kondisi ini diperoleh efisiensi ekstraksi uranium = 96,9%, efisiensi stripping uranium = 69,86%, efisiensi total uranium = 67,48%. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Sdri. Suyanti dan Sri Supadmi yang telah membantu hingga selesainya penulisan ini. PUSTAKA [1]. BENEDICT, Mo, PIGFORD, T. H., and LEVI, H. W., Nuclear Chemical Engineering, McGraw-Hili Book Company, New York (1981). [2]. SATO, T., The Extraction of Uranium (IV), YTTrium (/II), and Lanthanum (/II) from Hydrochloric Solution by Acid Organophosphorus Compounds, Preceeding of the International Symposium on Actinide/Lanthanide Separation, Honolulu, USA (1984). [3]. HUANG, T.C and HUANG, C.T., Kinetics of the Extrction of Uranium (VI) From Nitric Acid Solution With Bis (2-ethyl hexyl)-phosphoric Acid, Departement of Chemical Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan (1988). [4]. HAYWORTH, H. C. and BURNS, W. A., Extraction of Uranium from Wet Process Phosphoric Acid by Liquid Membrane, Separation Science Technology (1983). [5]. JOHANNES, H., Pengantar Kimia Ko/oid dan Kimia Permukaan, Universitas Gadjah Mada, (1973). [6]. NEMEH, A. and PATHEGEN, V., Membrane Recycling in the Liquid Surfactant Membrane Process, Ind. Eng. Chem. pp. 32, (1993). [7]. MOORE, F. L., Liquid-Liquid Extraction with High-Moleculer-Weight Amines, NAS-NS311, US Atomic Energy Commission (196). [8]. BIYANTORO, D., dkk., Ekstraksi Nb Dengan Cara Membran Emulsi Memakai D2EHPA, Seminar Pertemuan dan Presentasi Ilmiah, PPNY-BATAN, Yogyakarta (1997). TANYAJAWAB Amir Rusli.Umum: Melihat hasil penelitian cukup baik, bagaimana dengan prospek ekonominya ke depan.khusus: Apakah teknik dapat digunakan untuk bahan bakar bekas. Dwi biyantoro.umum : Baik karena :.Biaya pemisahan lebih murah.menghasilkan produk berkualitas tinggi.khusus : Dengan berbagai pertimbangan diatas, bisa. Mudiar masdja.apakah larutan umpan yang saudara gunakan sudah mewakili komposisi bahan bakar bekas.apakah dapat dibuktikan secara analisis bahwa pad a percobaan saudara Zr terikat pad a membran. Dwi Biyantoro.Sudah diambil dari acuan yaitu BENEDICT, M., PIGFORD. T. H., and LEVI, H. W. Untuk jenis hasil fission product PWR..Berdasarkan hasil analisis memakai spektrometri pendar sinar-x dengan metoda adisi, Zr dalam fasa air hasil ekstraksi tidak terdeteksi sehingga Zr dianggap masih terikat dalam fasa membran. 75