PENGOLAHAN LIMBAH TRANSURANIUM DARI INSTALASI RADIOMETALURGI DENGAN MEDIA POLIMER SUPER ADSORBEN

Transkripsi

1 PENGLAAN LIMBA TRANSURANIUM DARI INSTALASI RADIMETALURGI DENGAN MEDIA PLIMER SUPER ADSRBEN Aisyah, Gustri Nurliati, Mirawaty Pusat Teknologi Limbah Radioaktif ABSTRAK PENGLAAN LIMBA TRANSURANIUM DARI INSTALASI RADIMETALURGI DENGAN MEDIA PLIMER SUPER ADSRBEN. Dalam kegiatannya, Instalasi Radiometalurgi melakukan pengujian bahan bakar pasca iradiasi yang dapat menimbulkan limbah cair radioaktif yang mengandung campuran radionuklida hasil belah dan transuranium. Berdasarkan atas aspek keselamatan, limbah cair ini diklasifikasikan sebagai limbah transuranium dan proses imobilisasinya dengan polimer. Telah dipelajari penggunaan 2 jenis bahan matriks untuk imobilisasi limbah transuranium yaitu polimer super-adsorben jenis sodium poliakrilat yang berfungsi juga sebagai media penyerap cairan limbah, dan resin epoksi sebagai bahan imobilisasinya. Perbandingan polimer super-adsorben dan limbah 1:10; 1:15; 1:20; 1:25, dan 1:30, p limbah 1, 3, 5, 7, serta kandungan limbah 10, 15, 20, 25 dan 30 % berat digunakan dalam percobaan untuk mempelajari pengaruh terhadap kuat tekan dan laju pelindihan polimer limbah hasil imobilisasi. Polimer limbah hasil imobilisasi yang optimal diperoleh pada perbandingan polimer super-adsorben dan limbah 1:10 pada p 7 dengan kandungan limbah 10 % berat memberikan harga kuat tekan 5,1 kn/cm 2 dan laju pelindihan yang tidak signifikan. Kandungan limbah 10 % berat tidak ekonomis, namun proses imobilisasi cukup sederhana sehingga memungkinkan untuk diterapkan di PTLR, maka teknik penggunaan 2 jenis polimer sebagai bahan imobilisasi dapat menjadi salah satu alternatif proses pengolahan limbah dari IRM. ABSTRAT TE TREATMENT F TRANSURANI WASTE FRM RADIMETALLURGY INSTALLATIN BY USING ADSRBENT PLYMER MEDIA. In performing fuel examination, the Radiometallurgy Installation produces radioactive waste containing fission products and transuranium radionuclides. For safety measures, this waste is treated as transuranic waste and to be immobilized by using polymer. Two kinds of polymer were used as immobilizing media of the transuranic waste i.e. poly-acrylic sodium and epoxy resin. Polyacrylic sodium is used as adsorbent for the liquid contained in the waste and epoxy resin is used as immobilization media. The compressive strength and leaching rate of the immobilized waste was studied for weight fraction of poly-acrylic to liquid waste 1: 10; 1: 15; 1: 20; 1 : 25, and 1: 30, waste p 1; 3; 5, and 7, and waste loading 10; 15; 20; 25, and 30 % weight. The optimum result was obtained the immobilization with weight fraction of polyacrilic to liquid waste 1 : 10, waste p 7 and waste loading of 10 % weight. The immobilized waste has compressive strength of 5.1kN/cm 2 and leaching rate that is insignificant. Even though it was noted that waste loading of 10 % weight is considered uneconomical, but the immobilization techniques was simple and sounds good in RWT, therefore the use of two kinds of polymer above was one of the alternatives of the treatment for waste generated from Radiometallurgy Installation. PENDAULUAN Dalam kegiatannya, Instalasi Radiometalurgi (IRM) melakukan pengujian bahan bakar pasca iradiasi. Dalam bahan bakar teriradiasi dengan pengkayaan uranium 20% dan dengan waktu iradiasi lama, kandungan radionuklida yang timbul mirip dengan

2 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 kandungan radionuklida bahan bakar bekas sebelum dilakukan proses olah ulang, yaitu hasil belahnya tinggi dan aktinidanya juga tinggi. Di negara maju, limbah dengan kandungan hasil belah dan aktinida yang tinggi tidak pernah ada. Di negara yang melakukan proses olah ulang bahan bakar bekas, pada ekstraksi siklus pertama dihasilkan limbah aktivitas tinggi (LAT) dan pada ekstraksi siklus ke dua ditimbulkan limbah transuranium (TRU). Limbah aktivitas tinggi mengandung hasil belah yang tinggi dan sedikit terkontaminasi dengan radionuklida TRU dan diimobilisasi dengan gelas borosilikat. Limbah TRU banyak mengandung aktinida yang terkontaminasi dengan radionuklida hasil belah dan diimobilisasi dengan polimer [1,2]. Radionuklida yang terkandung dalam limbah IRM merupakan campuran radionuklida hasil belah dan TRU dengan komposisi seperti yang disajikan pada Tabel 1. Dalam Tabel 1 terlihat bahwa radionuklida TRU yang terkandung dalam limbah yaitu radionuklida 237 Np adalah kecil sehingga tidak terdeteksi. Namun demikian, dengan lebih memperhatikan aspek keselamatan, maka limbah cair dari IRM tersebut diberlakukan sebagai limbah TRU dan dipelajari proses imobilisasinya dengan polimer. Sebagai bahan imobilisasi limbah TRU, telah dilakukan penelitian menggunakan beberapa jenis polimer seperti poliester, epoksi akrilat, stiren divinil bensena, dan resin epoksi [3,4,5,6]. Penggunaan beberapa jenis polimer tersebut kecuali resin epoksi memberikan kuat tekan yang relatif rendah. Pada penggunaan resin epoksi terdapat kendala yaitu cairan limbah hanya terperangkap dalam resin epoksi karena tidak dapat bercampur dengan baik, sehingga mengakibatkan kekuatan polimer-limbah hasil imobilisasi menjadi menurun. leh karena itu dipelajari penggunaan 2 jenis bahan matriks sekaligus untuk imobilisasi limbah TRU tersebut. Polimer super-adsorben merupakan jenis polimer pertama yang dimaksudkan untuk menyerap limbah cair sehingga menjadi bentuk semi padat (gel). Gel limbah kemudian diimobilisasi dengan polimer ke dua yaitu resin epoksi sehingga menjadi padatan yang kompak. Super-adsorben yang digunakan dalam penelitian ini adalah sodium poliakrilat (PA) yang biasa digunakan sebagai bahan pampers bayi atau produk sejenis lainnya. Sodium poliakrilat merupakan polimer yang telah mengalami polimerisasi dengan membentuk ikatan silang (cross linking), mempunyai daya serap yang besar terhadap air, dengan kecepatan adsorpsi tergantung dari kondisi larutan encer dan merupakan fungsi dari luas permukaan dan derajat ikatan silang. Sodium poliakrilat berupa butiran berwarna putih dengan diameter 400 µ dan densitas 0,62 g/cm 3 [7]. 22

3 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 Sintesis PA dimulai dengan polimerisasi radikal bebas asam akrilat untuk menghasilkan asam poliakrilat. Asam poliakrilat kemudian dikonversi ke dalam polianion (PA) dengan reaksi basa seperti Na [7,8]. 2R + + 2R Asam Akrilat n Asam Poliakrilat Na 2 n Sintesa Poliakrilat [7,8] n Poliakrilat (Sodium Poliakrilat) - Na + Poliakrilat dapat di crosslinked dengan menggunakan trimethylolpropanetriacrylate Trimethylolpropanetriacrylate [7,8] Poliakrilat yang telah di crosslinked mempunyai afinitas yang besar terhadap air, tetapi karena PA ini tidak dapat melarut dalam air, maka air tetap terikat kuat pada tempat anion dalam molekul. Meskipun PA ini tidak dapat larut, masuknya air 23

4 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 dan terikat dalam struktur polimer menyebabkan polimer mengembang seperti yang disajikan pada Gambar 1.[7,8] A B Gambar 1. Struktur Poliakrilat: (A) kering, (B) mengembang [ 7,8 ] Resin epoksi adalah jenis polimer ke dua yang dipakai dalam penelitian ini, merupakan salah satu jenis polimer yang telah banyak dikembangkan dan digunakan secara luas dalam berbagai bidang industri. al ini karena resin epoksi mempunyai sifat-sifat unggul yaitu kuat, fleksibel, tahan terhadap bahan-bahan kimia, serta mudah diproses. Resin epoksi terbentuk dari reaksi polimerisasi dari epichlorohidrin biphenylpropane (bisphenol A) dengan hardener (seperti aliphatic polyamine). Kekuatan polimer dipengaruhi oleh komposisi antara resin epoksi dengan hardener. Proses curing (pengerasan) memakan waktu kurang lebih 8 jam [8]. Dalam penelitian ini diharapkan akan diperoleh komposisi polimer superadsorben, resin epoksi dan limbah TRU yang optimum, sehingga dihasilkan karakteristik polimer-limbah yang baik dan lebih ekonomis dalam arti dengan kandungan limbah yang cukup tinggi. Karakteristik polimer limbah yang dipelajari adalah pengamatan secara visual, kuat tekan dan laju pelindihan. TATA KERJA Bahan Dalam penelitian ini digunakan bahan: 1. Larutan limbah simulasi, yang terdiri dari air dengan p 1, 3, 5, dan 7. al ini dengan perhitungan bahwa limbah asli dari IRM-PTBBN dapat dikategorikan ke dalam larutan yang encer. 2. Larutan limbah simulasi yang mengandung radionuklida 137 s dan 90 Sr. Larutan ini dipakai untuk pengujian pelindihan 24

5 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun Polimer jenis poliakrilat (polimer super-adsorben), yang dibeli dari pasaran dengan merk dagang polimer SP Polimer jenis resin epoksi, yang dibeli dari pasaran dengan merk dagang eposir 7120 Metode Polimer-limbah dibuat dengan mencampur limbah simulasi dengan p 1,3,5, dan 7 dengan polimer super-adsorben dalam perbandingan polimer super-adsorben dengan limbah 1:10; 1:15; 1:20; 1:25; dan 1:30 % berat. ampuran ini kemudian diimobilisasi dengan polimer resin epoksi dengan kandungan limbah 10, 15, 20, 25, dan 30 % berat. Komposisi antara resin dan hardener 1:1. ampuran polimer-limbah dicetak dalam cetakan silinder dengan diameter 30 mm. Untuk meminimalkan adanya udara terperangkap dalam campuran, maka campuran polimer-limbah dalam cetakan digetarkan dan dibiarkan mengering. asil imobilisasi diamati secara visual, dilakukan uji tekan dengan alat uji tekan Paul Weber dan uji pelindihan dipercepat dengan alat uji lindih soxhlet. Pengujian 1. Uji Tekan dilakukan dengan alat tekan Paul Weber. Sampel polimer-limbah dicetak dalam bentuk silinder dengan diameter 30 mm dan dilakukan penekanan sampai pecah. Kekuatan tekan polimer-limbah dihitung dengan persamaan: σ c = P max A dimana σ c adalah kekuatan tekan (kn/cm 2 ); P maks adalah beban tekanan maksimum (kn); dan A adalah luas penampang mula-mula (cm 2 ) 2. Laju pelindihan dilakukan menurut Japan Industrial Standard (JIS), yaitu laju pelindihan dipercepat dalam medium air. ontoh polimer-limbah dalam bentuk silinder dengan diameter 30 mm dimasukkan dalam basket dan dipasang pada alat soxhlet untuk direfluks dengan air suling pada suhu selama 24 jam. Laju pelindihan dihitung berdasarkan berat contoh yang hilang dengan persamaan: W 0 W L = S. t 25

6 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 dimana: L : laju pelindihan (g cm -2 hari -1 ) S : luas permukaan contoh (cm 2 g -1 ) W 0 : berat contoh sebelum dilindih (g) W : berat contoh sesudah dilindih (g) t : waktu pelindihan (hari) Selain pengukuran uji lindih dengan perubahan berat, pengujian juga dilakukan terhadap lepasnya radionuklida yang terperangkap dalam polimer-limbah. Untuk keperluan pengujian ini dibuat simulasi limbah yang mengandung s dan Sr aktif ( 137 s dan 90 Sr), dan analisis dilakukan terhadap air pelindih dengan alat Liquid Scintillation ounter. ASIL DAN PEMBAASAN asil percobaan menunjukkan bahwa imobilisasi limbah cair dari IRM yang hanya menggunakan resin epoksi saja (RE) secara visual tampak bahwa warna hasil imobilisasi lebih kuning, lebih keras dan lebih homogen dibandingkan dengan imobilisasi menggunakan dua macam polimer yaitu super adsorben dan resin epoksi. al ini terjadi karena polimer super-adsorben tidak dapat bercampur sempurna dalam campuran yang mengandung air dan resin epoksi, sehingga pada kandungan limbah mulai 20% berat sudah tampak adanya butiran-butiran putih pada hasil imobilisasi. Semakin tinggi kandungan limbah akan semakin jelas tampak ketidak homogenan yaitu butiran-butiran putih semakin banyak dan warna polimer limbah hasil imobilisasi menjadi kuning pucat dan lunak. Karakteristik kuat tekan polimer-limbah terhadap kandungan limbah pada berbagai perbandingan super-adsorben dan limbah dalam suasana p 7 (netral) disajikan pada Gambar 2. Pada gambar tampak bahwa pada imobilisasi yang hanya menggunakan polimer resin epoksi menghasilkan kuat tekan polimer-limbah yang semakin menurun dengan meningkatnya kandungan limbah. al ini terjadi karena kenaikan kandungan limbah berarti menambah jumlah cairan yang harus bercampur dengan resin epoksi. Seperti diketahui bahwa resin epoksi dan cairan tidak dapat bercampur dengan baik, sehingga cairan hanya terperangkap dalam larutan polimer. Pada saat terjadi curing (pengerasan), memungkinkan adanya rongga halus yang terjadi karena ditinggalkan oleh molekul-molekul cairan. Kelebihan cairan yang terdapat dalam campuran polimer-limbah yang tidak bisa teruapkan akan keluar dari polimer setelah proses curing selesai. al inilah yang mengakibatkan polimer-limbah menjadi lunak dan terjadi penurunan kuat tekan sebesar 56,45% untuk kandungan 26

7 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 limbah 30 % berat. al ini sejalan dengan adanya perubahan suhu transisi gelas (Tg) polimer-limbah karena adanya penambahan cairan dalam polimer resin epoksi, dan adanya perubahan Tg ini akan berakibat pada perubahan karakteristik lainnya seperti misalnya kuat tekan, densitas dan lainnya. Untuk kandungan limbah sampai dengan 30 % berat memberikan harga kuat tekan sebesar 2,7 kn/cm 2. arga kuat tekan tertinggi adalah 5,7 kn/cm 2 untuk kandungan limbah 10% berat. Gambar 2 juga menyajikan pengaruh media super-adsorben sebagai bahan imobilisasi pertama dalam berbagai kandungan limbah terhadap kuat tekan polimerlimbah. Dari gambar tersebut tampak bahwa penggunaan media super-adsorben dalam semua perbandingan yang diteliti sebagai bahan imobilisasi pertama yang kemudian diimobilisasi lanjut dengan resin epoksi memberikan kuat tekan polimer limbah yang lebih rendah dibandingkan dengan hanya menggunakan resin epoksi sebagai bahan imobilisasi. al ini terjadi karena polimer super adsorben tidak bisa larut dalam resin epoksi, sehingga campuran resin epoksi, cairan limbah dan superadsorben tidak bisa homogen, tampak adanya butiran-butiran putih dalam polimerlimbah hasil imobilisasi. Semakin banyak butiran-butiran putih dalam polimer-limbah memberikan kuat tekan yang semakin rendah. Polimer super-adsorben ketika menyerap air akan menjadi gel. Jumlah air semakin bertambah, maka super-adsorben akan semakin lembek walaupun tidak sampai terjadi pelarutan. Pada perbandingan super-adsorben dan air 1:40 (%berat) teramati super- adsorben sudah mulai teraba basah, dan penambahan air sampai dengan 1:50 tampak bahwa air mulai menggenang. al ini berarti bahwa kapasitas serap super-adsorben terhadap air maksimal pada perbandingan 1:40. leh karena itu penelitian dilakukan pada perbandingan super-adsorben dan air maksimal pada 1:30. Pada gambar tersebut juga tampak grafik pengaruh kuat tekan dalam berbagai kandungan limbah serta perbandingan super-adsorben dan limbah (SA 1:10 ~ 1:30 %berat). Kuat tekan polimer-limbah tampak semuanya lebih rendah dari pada kuat tekan polimer-limbah yang hanya menggunakan resin epoksi saja sebagai bahan matriks untuk imobilisasinya. Super-adsorben merupakan jenis cross-link polimer yang berfungsi untuk menyerap cairan limbah namun tidak mengeraskannya menjadi bentuk yang monolith. leh karena itu limbah yang telah terserap dalam super-adsorben kemudian diimobilisasi dengan resin epoksi untuk menjadikan padatan yang monolith, ternyata super adsorben mengakibatkan kuat tekannya menurun. Semakin tinggi perbandingan super-adsorben dan limbah maka kuat tekan akan semakin menurun 27

8 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 hingga harga kuat tekan terendah 1,85 kn/cm 2 untuk perbandingan 1:30. Demikian pula dengan kenaikan kandungan limbah akan menurunkan kuat tekan polimer limbah yang terbentuk. Semakin tinggi kandungan limbah, akan memberikan kuat tekan yang semakin rendah. Kandungan limbah sebesar 30 % berat memberikan harga kuat tekan terendah yaitu 1,85 kn/cm 2 untuk perbandingan super- adsorben dan limbah 1:30. Penurunan kuat tekan ini disebabkan oleh bertambah besarnya jumlah superadsorben dalam campuran polimer-limbah sehingga mengakibatkan polimer-limbah lebih lunak, lebih pucat warnanya sehingga kekuatannya menurun. Dalam penelitian ini penambahan super-adsorben yang dimaksudkan untuk menyerap cairan limbah ternyata berakibat pada menurunnya kuat tekan polimer-limbah. Gambar 3 menyajikan pengaruh p limbah terhadap kuat tekan polimer-limbah pada perbandingan super-adsorben limbah 1:10 dengan kandungan limbah 10% (SA 1:10, 10% berat). Dari gambar tersebut tampak bahwa semakin asam cairan limbah maka kuat tekan akan semakin menurun. al ini terjadi karena super-adsorben mengalami kerusakan pada cairan limbah yang lebih asam. ampuran menjadi lebih lembek. Demikian juga pada polimerisasi dengan resin epoksi yang berlangsung dalam suasana asam karena adanya penambahan hardener. Adanya campuran adsorben limbah yang lembek (karena dalam suasana asam) kemudian dicampur dengan resin epoksi dan hardener akan menjadikan campuran kelebihan asam, sehingga polimerisasi tidak dapat berlangsung secara sempurna. Kondisi campuran super-adsorben limbah yang lunak menjadikan hasil imobilisasi polimer limbah lebih lunak dengan kuat tekan yang lebih rendah. Pengujian laju lindih menunjukkan bahwa pada pengujian hasil imobilisasi polimer limbah pada perbandingan polimer super-adsorben limbah 1:10 dan kandungan limbah 10% berat tidak menunjukkan adanya perubahan berat yang signifikan, demikian juga dengan hasil analisis dari cairan pelindih yang menunjukkan tidak terdeteksi adanya radionuklida 137 s dan 90 Sr. al ini menunjukkan bahwa pada komposisi tersebut hasil imobilisasi mempunyai kualitas yang baik, artinya campuran polimer super-adsorben dan resin epoksi dapat mengungkung radionuklida yang terkandung dalam limbah. KESIMPULAN Penggunaan super-adsorben sebagai media imobilisasi limbah TRU dari IRM berakibat menurunkan kuat tekan hasil imobilisasi jika dibandingkan hanya menggunakan epoksi resin sebagai bahan imobilisasi. Pada perbandingan super- 28

9 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 adsorben limbah 1:10 dengan kandungan limbah 10% menurunkan kuat tekan sebesar 10,53% dibandingkan dengan imobilisasi hanya menggunakan epoksi resin. Kenaikan perbandingan super- adsorben limbah menjadi 1:30 dan kandungan limbah sampai dengan 30 %berat berakibat menurunkan kuat tekan sampai 56,45%. Untuk mencapai hasil imobilisasi yang optimal maka penggunaan polimer super-adsorben dibatasi pada perbandingan 1:10 dengan kandungan limbah 10 % berat. Kandungan limbah 10 %berat tidak ekonomis, namun proses imobilisasi cukup sederhana sehingga memungkinkan untuk diterapkan di PTLR, maka teknik penggunaan 2 jenis polimer sebagai bahan imobilisasi dapat menjadi salah satu alternatif proses pengolahan limbah dari IRM. DAFTAR PUSTAKA 1. AISYA, Pengaruh Keasaman Dan Kandungan Limbah Pada Imobilisasi Limbah TRU Dari Instalasi Radiometalurgi Dengan Polimer, asil Penelitian Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif 2003, P2PLR, Jakarta, IAEA, Treatment of Alpha Bearing Waste, Technical Reports Series No.287, IAEA, Viena, MARTN., DANU S., Imobilisasi Limbah air Transuranium dengan Poliester Stiren Secara Iradiasi Sinar Gamma, asil Penelitian Pusat Teknologi Pengolahan Limbah Radioaktif 1993/1994, BATAN, MARTN., DANU S., Imobilisasi Limbah air Transuranium Simulasi dengan Polimer Epoksi Akrilat Secara Radiasi Sinar Gamma, Majalah BATAN Vol. XXVI, No. 3/4, Juli/ktober MARTN., Imobilisasi Limbah air Transuranium Simulasi dengan Polimer 6. Stiren Divinilbenzena, Prosiding Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, BATAN, Yogyakarta, Zainus S., Imobilisasi Limbah Radioaktif Pemancar Alfa Dengan Matriks Plastik Polimer Epoksi, Prosiding Seminar Nasional II Plastik Dan Lingkungan, Balai Besar Penelitian Dan Pengembangan Industri Barang Kulit, Karet Dan Plastik,Yogyakarta, DNNA NARSAVAGE-EALD, Thermal Polyaspartate as a Biodegradable Alternative to Polyacrylate and ther urrently Used water Soluble Polymers, hemistry Department, Univ. of Scranton ( edu/faculty/annm1/polymer/polymermodule.html.(2006) 9. JEL R. FRIED, Polymer Science and Technology, Prentice-all Inc, USA, (1995) 29

10 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005 Tabel 1. Unsur Radionuklida Dalam Limbah air dari IRM No Radionuklida Limbah air Aktivitas (Bq/ml) 109 d 1, e 1, Ru 0, s 2, s 116,00 60 o 0,6 57 o Tidak terdeteksi 237 Np Tidak terdeteksi 131 Ba 0, Ra 0, Eu Tidak terdeteksi 82 Br Tidak terdeteksi Aktivitas Total 122,608 30

11 asil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun Kuat Tekan (kn/cm 2 ) RE SA (1:10) SA (1:15) SA (1:20) SA (1:25) SA (1:30) Kandungan Limbah (% berat) Gambar 2. Pengaruh kandungan limbah, perbandingan super adsorben dan limbah pada p 7 terhadap kuat tekan polimer-limbah 6 5 Kuat Tekan (kn/cm 2 ) RE SA (1:10 ; 10%) p LImbah Gambar 3. Pengaruh p limbah terhadap kuat tekan polimer-limbah (SA 1:10 ; kandungan limbah 10 %berat) 31