STUDI PEMISAHAN URANIUM DARI LARUTAN URANIL NITRAT DENGAN RESIN PENUKAR ANION

Transkripsi

1 STUDI PEMISAHAN URANIUM DARI LARUTAN URANIL NITRAT DENGAN RESIN PENUKAR ANION Iis Haryati, dan Boybul Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN, Kawasan Puspiptek Gd 20, Serpong, untuk korespondensi: ABSTRAK STUDI PEMISAHAN URANIUM DARI LARUTAN URANIL NITRAT DENGAN RESIN PENUKAR ANION. Telah dilakukan studi pemisahan uranium dari larutan uranil nitrat dengan resin penukar anion. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pemisahan ion uranium dengan variabel lamanya aktivasi resin terhadap kemampuan mengikat ion uranium dan variabel eluent terhadap kemampuan pelepasan ion uranium dari resin. Pemisahan menggunakan kolom yang diisi resin Dowex 1x8 (Cl-) sampai volume 10 ml. Resin Dowex 1x8 (Cl-) diaktivasi menggunakan HCl 8M dengan variabel waktu 1 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam. Proses pemisahan larutan sampel uranium dilewatkan kolom penukar anion dengan kecepatan 2 ml per menit. Proses pelepasan ion uranium dari resin menggunakan eluent HCl 1M, 6M, dan 8M. Hasil pemisahan dengan resin Dowex 1x8 (Cl-) dengan waktu aktivasi 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam mempunyai kemampuan menyerap ion uranium secara sempurna, sedangkan resin yang diaktivasi 1 jam sebelum digunakan proses aktivasinya belum sempurna. Proses elusi untuk melepaskan ion uranium dari resin menggunakan eluent HCl 1M, 6M, dan 8M didapatkan bahwa proses elusi dengan eluent HCl 1M menunjukkan hasil yang paling tinggi dibanding eluent yang lain, hal ini terlihat dari hasil análisis kadar uranium sebesar 0,243 ug/ml. Sedangkan eluent HCl 6M, dan HCl 8M tidak dapat melepaskan uranium dari resin. Kata kunci: Pemisahan, uranium, resin penukar anion ABSTRACT STUDY OF URANIUM SEPARATION FROM URANYL NITRATE SOLUTION USING ANION EXCHANGER RESIN. Study of uranium separation from uranyl nitrate solution has been conducted. The purpose of this research is to study the separation of uranium ions with variables activation time of resin on uranium ion binding ability and eluent concentration on the ability to binding uranium ion release from resin. The separation process was done in a column containing 10 cc of Dowex type resin (Cl-). Before used, the Dowex 1x8 (Cl-) was activated using 8M HCl solution under the varied such as 1, 12, 24, 36, and 48 hours. The flow rate of uranyl nitrate solution into the column was arranged at 2 cc/minutes and for eluting the uranium from the resin HCl solution having concentrations of 1M, 6M, and 8M were used. Experimental result showed that the Dowex 1x8 (Cl-) activated at 12, 24, 36, and 48 hours able to absorb uranium completely, while that activated at 1 hour was not perfect.on the eluting process, the 1M HCl solution showed high elution comparing to the 6M and 8M of the HCL solution, where the highest uranium concentration obtained was ug/cc and no uranium could be eluted using the higher HCl concentrations. Keywords : separation, uranium, anion exchange resin. PENDAHULUAN Pengembangan metoda analisis fisikokimia pada Bidang Pengembangan Radiometalurgi Pusat 353 Teknologi Bahan Bakar Nuklir diantaranya adalah pengembangan metode analisis uranium dalam bahan bakar nuklir pra irradiasi maupun dalam bahan bakar nuklir pasca irradiasi, pemisahan dan

2 analisis isotop hasil fisi dalam pelat elemen bakar (PEB) nuklir U 3 Si 2 -Al pasca irradiasi untuk mendukung penentuan burn up. Pelat elemen bakar (PEB) U 3 Si 2 -Al yang telah mengalami irradiasi di reaktor akan menghasilkan beberapa hasil fisi diantaranya adalah transuranium (U,Pu),isotop 137 Cs dan hasil fisi lainnya (seperti Ba 2+, maupun Sr 2+ ). Data burn-up bahan bakar pasca iradiasi itu sangat penting untuk mengetahui kualitas bahan bakar dan integritas elemen bakar nuklirnya setelah irradiasi. Dalam bahan bakar nuklir pasca irradiasi mengandung hasil belah, hasil biak dan sisa uranium. Diantara bahan tersebut termasuk dalam bahan dapat belah yaitu 235 U, 233 U, 239 Pu. Dari jalur bahan fertil thorium 232 Th dengan absorbsi netron dapat menghasilkan 233 Th dan meluruh menjadi 239 Pu, akhirnya menjadi 233 U yang juga merupakan bahan fisil. Umumnya isotop tersebut pemancar radiasi sehingga untuk menentukan komposisi atom-atom isotop tersebut dapat digunakan cara spektrometri- Pada penentuan burn-up yaitu menentukan jumlah atom fisil yang telah terbakar dapat dinyatakan sebagai prosentasi atau fraksi atom fisil 235 U(juga 239 Pu) yang terbakar (%) atau dalam satuan energi (MWD). [Nampira, 1999] Dalam penentuan isotop uranium secara spektrometri- isotop uranium dan plutonium harus dipisahkan terlebih dahulu, karena akan mempengaruhi evaluasi hasil cacah dari isotop uranium dimana hasil cacahan isotop uranium kecil sekali dibanding isotop plutonium untuk waktu cacah yang sama, sihingga tidak bisa diukur dalam waktu yang bersamaan. Untuk itu maka perlu dilakukan pemisahan isotop uranium dari isotop lain terutama plutonium sebelum dilakukan pengukuran secara spektrometri-. Untuk mendukung pelaksanaan penentuan kandungan isotop uranium dalam bahan bakar nuklir pasca irradiasi tersebut, maka perlu dilakukan studi pemisahan uranium dari larutan bahan nuklir pra irradiasi, sehingga nanti bisa diterapkan dalam pemisahan uranium dalam larutan bahan bakar pasca irradiasi. Metode pemisahan uranium dan isotopisotop lain dalam bahan bakar nuklir adalah pemisahan dengan metode penukar ion. Metode penukar ion dapat memisahkan ion yang satu dari yang lainnya, baik dengan metode penukar kation maupun metode penukar anion banyak digunakan dengan kelebihannya masing-masing. Dengan metode penukar anion tidak hanya anion-anion yang dapat dipisahkan dengan metode ini, tetapi juga kation-kation dapat dipisahkan dengan metode penukar anion, yaitu dengan cara mengubah kation-kation menjadi ion kompleks bermuatan negatif dengan bantuan media asam STTN-BATAN & PTAPB BATAN 354 untuk membentuk kompleks anion. Asam-asam yang biasa digunakan untuk membentuk senyawa kompleks anion dengan kation-kation adalah asam klorida, nitrat, sulfat, fluoride, fosfat, dan karbonat. [Smuelson, 1963] Pada penelitian ini dilakukan pemisahan uranium dengan metode resin penukar anion. Resin yang digunakan adalah resin Dowex 1x8 ukuran mesh dan larutan asam yang digunakan untuk membentuk senyawa kompleks adalah asam klorida 8M. Resin Dowex sebelum digunakan diaktivasi terlebih dahulu menggunakan asam klorida 8M. Waktu aktivasi divariasi mulai dari 1 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam. Sebagai eluent untuk menarik ion uranium dari resin digunakan asam klorida dengan konsentrasi 1M, 6M, dan 8M. TEORI Kapasitas pertukaran resin adalah banyaknya ion yang dapat diambil pada kondisi pemisahan; dapat juga dikatakan sebagai banyaknya miliekivalen ion yang dapat ditahan dalam kolom tanpa ada kebocoran yang teramati. Kapasitas pertukaran suatu kolom akan bertambah besar apabila ukuran partikel semakin kecil. Kapasitas pertukaran semakin besar pada laju aliran yang lebih rendah, kenaikan temperatur dan keasaman juga mempunyai pengaruh yang besar terhadap kapasitas pertukaran ion. Berbagai faktor mempengaruhi fenomena elusi. Volume suatu eluent bertambah bila ukuran partikel penukar ion bertambah. Laju aliran yang rendah pada proses elusi lebih baik karena waktu kontak di dalam kolom pada proses elusi makin lama, sehingga efisiensi semakin bertambah. Kenaikan konsentrasi asam umumnya menambah laju elusi karena pergeseran kesetimbangan pertukaran ion. Metode penukar ion dipakai pada berbagai bidang, terutama untuk pemisahan ion-ion dari ion pengganggu lainnya atau pada proses pemurnian ion dari unsur pengganggu lainnya. Teknik penukar anion bermanfaat untuk pemisahan anion dan terutama digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif anorganik. Pemakaian yang paling menonjol dari metode pertukaran ion adalah dalam pemisahan logam, baik metode penukar kation maupun metode penukar anion keduanya banyak digunakan dengan kelebihannya masing-masing. Kemajuan yang sangat berarti dalam bidang kimia analisis disebabkan diantaranya oleh metode penukar anion. Tidak hanya anion-anion yang terpisahkan dengan teknik ini, tetapi juga kationkation dapat terpisahkan dengan metode penukar anion, yaitu dengan cara mengubah kation-kation menjadi ion kompleks bermuatan negatif dengan Iis Haryati, dkk

3 menggunakan media asam. Pemisahan kationkation secara penukar anion dilakukan pada berbagai media asam tergantung dari kapasitas kation/logam yang membentuk kompleks anion. Media asam yang umum digunakan untuk membentuk senyawa kompleks anion diantaranya asam klorida, asam nitrat, sulfat, fluorida, fosfat dan karbonat. [ASTM, 1990] Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pemisahan uranium dari larutan bahan bakar nuklir menggunakan resin penukar anion. Sebagai fase diam digunakan resin Dowex 1x8 bentuk klorida dan fase gerak digunakan asam klorida. Pada penelitian ini akan dilihat pengaruh waktu aktivasi resin Dowex dan pengaruh konsentrasi asam klorida sebagai eluen untuk memisahkan uranium. Resin Dowex 1x8 diaktivasi menggunakan asam klorida 8M dengan variasi waktu aktivasi 0 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, 48 jam. dan sebagai fase geraknya digunakan asam klorida dengan konsentrasi 8M, 6M, dan 1M. TATA KERJA Bahan: Larutan uranil nitrat sebagai sampel untuk pemisahan, bahan-bahan kimia seperti asam klorida pekat 35%, asam klorida 8M, asam klorida 6M, asam klorida 1M, asam nitrat pekat 65%, resin Dowex 1x mesh dalam bentuk ion klorida, Alat: Kolom penukar ion dengan diameter dalam 10 mm dan panjang 15 cm, beker gelas dan tutup, pipet otomatis skala 0,1 s/d 1,0 ml dengan disposal Tips, pemanas listrik untuk menguapkan larutan, spektrofotometer UV-Vis untuk analisis kadar uranium, alat-alat gelas, Cara Kerja: Penyiapan/aktivasi resin: Resin Dowex 1x8 diaktivasi menggunakan asam klorida 8M yaitu dengan cara direndam dalam larutan sehingga membentuk seperti bubur. Waktu perendaman untuk aktivasi bervariasi mulai dari 1 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, 48 jam. Waktu aktivasi resin ini menunjukkan periode waktu saat akan digunakan sebelum resin tersebut dipindahkan ke dalam kolom untuk pemisahan. Penyiapan sampel uranium larutan uranium nitrat yang akan digunakan sebagai sampel untuk pemisahan dianalisis terlebih dahulu untuk mengetahui konsentrasi awal uraniumnya. Analisis kadar uranium menggunakan metode spektrofotometri Uv-Vis dengan Arsenazo(III) sebagai pengompleks uranium. Pembentukan kompleks uranium-arsenazo(iii) terjadi pada ph 2,5 dan selanjutnya di ukur pada panjang gelombang 665 nm. Dipipet 1 ml sampel larutan uranium nitrat ke dalam beker gelas 100 ml, diuapkan sampai kering, kemudian dilarutkan dengan asam klorida 8 M sampai volume 50 ml. Larutan ini siap digunakan untuk pemisahan uranium. Percobaan 1: Pemisahan uranium dengan waktu aktivasi resin 1 jam dan eluent HCl 8M Kolom penukar anion diisi dengan resin Dowex 1x8 yang telah diaktivasi sampai ketinggian resin di dalam kolom 10 cm, kemudian kolom dibilas dengan HCl 8M sebanyak 40 ml, air bilasan dibuang. Masukkan larutan sampel ke dalam kolom penukar anion dan alirkan melalui kolom dengan kecepatan alir 2 ml per menit, effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker 100 ml, dipanaskan sampai kering, pengompleks.. Selanjutnya kolom tersebut di elusi dengan 50 ml HCl 8M dan effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker 100 ml. Effluent kemudian dipanaskan sampai kering, pengompleks. Pemisahan uranium dengan waktu aktivasi resin 1 jam dan eluent HCl 6M Kolom penukar anion diisi dengan resin Dowex 1x8 yang telah diaktivasi sampai ketinggian resin di dalam kolom 10 cm, demudian kolom dibilas dengan HCl 8M sebanyak 40 ml, air bilasan dibuang. Masukkan larutan sampel ke dalam kolom penukar anion dan alirkan melalui kolom dengan kecepatan alir 2 ml per menit, effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker 100 ml, dipanaskan sampai kering, pengompleks. Selanjutnya kolom tersebut di elusi dengan 50 ml HCl 6M dan effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker 100 ml. Effluent kemudian dipanaskan sampai kering, 355

4 pengompleks. Pemisahan uranium dengan waktu aktivasi resin 1 jam dan eluent HCl 1M Kolom penukar anion diisi dengan resin Dowex 1x8 yang telah diaktivasi sampai ketinggian resin di dalam kolom 10 cm, demudian kolom dibilas dengan HCl 8M sebanyak 40 ml, air bilasan dibuang. Masukkan larutan sampel ke dalam kolom penukar anion dan alirkan melalui kolom dengan kecepatan alir 2 ml per menit, effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker 100 ml, dipanaskan sampai kering, pengompleks. Selanjutnya kolom di elusi dengan 50 ml HCl 1M dan effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker 100 ml. Effluent kemudian dipanaskan sampai kering, dilarutkan dengan 1 ml HNO3 6M, dipanaskan sampai kering. Dilarutkan lagi dengan 1 ml HNO3 1M, dinginkan, selanjutnya di analisis kadar uraniumnya dengan metode spektrofotometri Uv- Vis menggunakan arsenazo(iii) sebagai pengompleks. Percobaan 2, 3, 4, dan 5 Percobaan 2 sampai dengan percobaan 5 langkah-langkah kegiatan sama dengan percobaan 1, yang berbeda adalah penggunaan resin penukar anion dengan waktu aktivasi yaitu 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam. HASIL DAN PEMBAHASAN Larutan uranil nitrat yang digunakan dalam pemisahan ini terlebih dahulu ditentukan dahulu konsentrasinya. Penentuan konsentrasi uranium dalam larutan uranil nitrat menggunakan metode spektrofotometri Uv-Vis dengan Arsenazo(III) sebagai pengompleks. Hasil analisis didapatkan kadar uranium dalam larutan uranil nitrat sebesar 0,25 ug/ml. Hasil percobaan elusi larutan uranium dalam kolom resin Dowex 1x8 (Cl - ) yang diaktivasi 1 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam sebelum digunakan untuk pemisahan uranium. Elusi untuk proses pelepasan uranium dari resin menggunakan eluent asam klorida 1M, 6M, dan 8M. Larutan sampel uranium dalam bentuk nitrat dirubah menjadi senyawa kompleks dengan asam klorida 8M, yaitu sebanyak 1 ml sampel dipanaskan sampai kering kemudian dilarutkan dengan 50 ml HCl 8M. Larutan sampel ini dialirakan ke dalam kolom dengan kecepatan 1,5 ml per menit, effluent yang keluar dari kolom ditampung ditampung dalam beker 100 ml, dipanaskan sampai kering, dilarutkan dengan 1 ml HNO 3 6M, dipanaskan sampai kering. Dilarutkan lagi dengan 1 ml HNO 3 1M, dinginkan, selanjutnya di analisis kadar uraniumnya dengan metode spektrofotometri Uv-Vis menggunakan arsenazo(iii) sebagai pengompleks. Hasil analisis kadar uranium dalam larutan effluent hasil pemisahan uranium dengan resin Dowex yang diaktivasi dengan variasi waktu ditampilkan pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil analisis uranium dalam larutan effluent pemisahan dengan aktivasi resin selama 1 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam Waktu aktivasi resin, Kadar U (ug/ml) (jam) 1 0, Hasil analisis larutan effluent dari pemisahan uranium menggunakan resin yang diaktivasi 1 jam, 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam sebelum digunakan menunjukkan bahwa, larutan effluent dari aktivasi resin 1 jam kadar uraniumnya 0,026 ug/ml, sedangkan resin yang diaktivasi dengan waktu 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam sebelum digunakan kadar uranium dalam larutan effluent tidak terdeteksi. Hal tersebut menandakan bahwa resin yang diaktivasi 1 jam sebelum digunakan menunjukkan proses aktivasi belum sempurna, sedangkan resin yang diaktivasi dengan waktu 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam menunjukkan proses aktivasi telah sempurna, karena di dalam larutan effluent hasil pemisahan sudah tidak mengandung uranium, yang berarti seluruh uranium telah terikat dengan resin. Selanjutnya masing-masing kolom dielusi menggunakan eluent HCl masing-masing 1M, 6M, dan 8M dan masing-masing effluent yang keluar dari kolom ditampung dalam beker gelas, diuapkan sampai kering, dilarutkan dengan asam nitrat 1 ml 6M dipanaskan sampai kering, dilarutkan lagi dengan asam nitrat 1M 1 ml dan dianalisis dengan metode spektrofotometri Uv-Vis. Hasil anaisis proses pelepasan uranium dari resin menggunakan STTN-BATAN & PTAPB BATAN 356 Iis Haryati, dkk

5 eluent HCl 1M, 6M, 8M sitampilkan pada Tabel 2, 3, 4, 5, dan 6. Tabel 2. Kadar uranium hasil elusi menggunakan resin selama 1 jam Eluent Kadar U (ug/ml) HCl 1M 0,209 HCl 6M HCl 8M Hasil analisis didapatkan bahwa kolom yang dielusi dengan HCl 1M kadar uranium dalam larutan effluent sebesar 0,209 ug/ml, kolom yang dielusi dengan HCl 6M dan HCl 8M kadar uraniumnya tidak terdeteksi. Dari hasil analisis larutan effluent hasil elusi tersebut menunjukkan bahwa ion uranium terikat atau terserap oleh resin Dowex 1x8 (Cl - ) saat larutan sampel uranium dilewatkan melalui kolom tidak seluruhnya terserap oleh kolom, hal ini terlihat dari hasil analisis effluent setelah proses penyerapan masih mengandung uranium. Kemudian dari percobaan elusi kolom untuk melepaskan uranium yang terikat didapatkan bahwa proses elusi menggunakan eluent 6M dan dengan eluent 8M tidak terelusi sama sekali. Tabel 3. Kadar uranium hasil elusi menggunakan resin selama 12 jam Eluent Kadar U (ug/ml) HCl 1M 0,229 HCl 6M HCl 8M Tabel 3. menunjukkan bahwa eluent HCl 1M sebesar 0,229 ug/ml, sedangkan eluent HCl 6M, dan HCl 8M larutan effluentnya tidak Tabel 4. Kadar uranium hasil elusi menggunakan resin selama 24 jam Eluent Kadar U (ug/ml) HCl 1M 0,219 HCl 6M HCl 8M 357 Tabel 4. menunjukkan bahwa eluent HCl 1M sebesar 0,219 ug/ml, sedangkan eluent HCl 6M, dan HCl 8M larutan effluent-nya tidak Tabel 5. Kadar uranium hasil elusi menggunakan resin selama 36 jam Eluent Kadar U (ug/ml) HCl 1M 0,243 HCl 6M HCl 8M Tabel 5. menunjukkan bahwa eluent HCl 1M sebesar 0,243 ug/ml, sedangkan eluent HCl 6M, dan HCl 8M larutan effluentnya tidak Tabel 6. Kadar uranium hasil elusi menggunakan resin selama 48 jam Eluent Kadar U (ug/ml) HCl 1M 0,214 HCl 6M HCl 8M Tabel 6. menunjukkan bahwa eluent HCl 1M sebesar 0,214 ug/ml, sedangkan eluent HCl 6M, dan HCl 8M larutan effluent-nya tidak KESIMPULAN Proses pemisahan uranium dari larutan sampel menggunakan kolom resin penukar anion dapat disimpulkan sebagai berikut: resin Dowex 1x8 (Cl - ) dengan waktu aktivasi 12 jam, 24 jam, 36 jam, dan 48 jam mempunyai kemampuan menyerap ion uranium yang sempurna, sedangkan resin yang diaktivasi 1 jam sebelum digunakan proses aktivasinya belum sempurna. Proses elusi untuk melepaskan ion uranium dari resin menggunakan eluent HCl 1M, 6M, dan 8M

6 didapatkan bahwa proses elusi dengan eluent HCl 1M menunjukkan hasil yang paling tinggi dibanding eluent yang lain, hal ini terlihat dari hasil análisis kadar uranium sebesar 0,243 ug/ml. Sedangkan eluent HCl 6M, dan HCl 8M tidak dapat melepaskan uranium dari resin. Proses aktivasi resin yang paling baik adalah diaktivasi selama minimal 12 jam. Konsentrasi eluent yang paling sesuai untuk pelepasan ion uranium dari resin adalah HCl 1M. DAFTAR PUSTAKA 1. NAMPIRA, YUSUF dkk, Rancangan metode analisis derajat bakar mutlak uranium silisida, Hasil-hasil Penelitian Elemen Bakar NukJir, Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang (P2TBDU-BATAN), ISSN , Serpong, 1998/ SAMUELSON, Ion Exchange Separation in Analytical Chemistry, John Wiley, 2 nd Edition, AMERICAN STANDARD TEST METHODS, 1990, Standard Test Method for Radiochemical Determination of Uranium Isotopes in Soil by alpha Spectrometry, Designation: C Vol (1992) STTN-BATAN & PTAPB BATAN 358 Iis Haryati, dkk