SORPSI CESIUM, KOBAl T DAN STRONSIUM PADA KAOLINIT

Transkripsi

1 SORPSI CESIUM, KOBAl T DAN STRONSIUM PADA KAOLINIT Pratomo Budiman Sastrowardoyo, Dadang Suganda, Wati Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif-BATAN, Serpong ABSTRAK SORPSI CESIUM, KOSAl T DAN STRONS'UM PADA KAOLIN/T. Penelitian tentang sorpsi beberapa radionuklida pada kaolin!t tetah dilakukan. Larutan yang mengandung sesium, kobalt dan stronslum, yang masingmasing ditandai dengan Cs-137, Go-GO dan Sr-90, digunakari sebagai modellimbah radloaktif. Sedangkan kaolinit dari Yogyakarta digunakan sebagai calon bahan backfill dalam sistem penyimpanan limbah aktivitas rendah-sedang. Pengocokan sederhana secara catu diadopsi untuk mempelajari kinetika, isoterm sorpsi dan reversibilitas sorpsi. Hasil penelitian memperfihatkan bahwa sorpsi sesium, kobalt dan stronsium dalam kaolinit mengikuti isoterm Freundlich dengan aflnitas yang besar. Kinetika yang relahf cepat (3-8 hari) kwasl ireversibel, serta kapasitas sorpsi dan koefisien distribusi yang linggi, merupakan faktor favourable untuk penghambatan transport radionuklida dalam bahan backfill. Diharapkan bahwa hasil percobaan ini dapat meningkatkan pengayaan data tentang perilaku radionuklida dalam bahan backfil, pada sistem penyimpanan limbah radioaktif. ABSTRACT SORPnON OF CESIUM, COBALT AND STRONSIUM ON KAOLINITE. Study 011 the sorption of radionuclides 011 kaolinite has been conducted. The solutions containing cesium, cobalt and strontium, labelled respectively with Cs-137, Go-GOdan Sr-gO, were used to modelize the radioactive waste. The kaolinite from Yogyakarta was used as a candldata of backfill matarial in the low and intermediate waste disposal system. Simple bath experiment was adopted to study the sorption kinetic, isotherm and reversibi/ity. The result showed that sorption of cesium, cobalt and strontium on kaolinite obeyed the Freundlich isotherm. The relatively fast kinetic (3 to 8 days) quasi irreversible, and high sorption capacity and distribution coefficient, are favourable factors for radionuclide retardation in backfill material. It is hoped that this result could enrich the data of radionuclide behaviour in backfill material of radioactive waste disposal system. KATA KUNGI: bahan backfill, radionuklida, cesium, cobalt, stronsium, penyimpanan limbah, limbah aktivitas rendahsedang, isoterm sorpsi, koefisien distribusi. PENDAHUlUAN. Penyimpanan dengan sistem dekat permukaan merupakan opsi yang telah dipertimbangkan di banyak negara untuk limbah aktivitas rendah dan sedang. Berbagai model penyimpanan telah diperkenalkan, yang pada mulanya suatu fasilitas penyimpanan sederhana dibuat tanpa barrier rekayasa[1]. Untuk menjamin agar isolasi terhadap radionuklida dapat terlaksana secara lebih baik, telah dikenal fasilitas penyimpanan limbah dengan penggunaan berbagai barrier rekayasa. Termasuk dalam susunan ini ialah barrier berupa struktur benton, bahan backfill, bahan penyangga maupun bahan penutup rekayasa. Limbah yang ditimbun juga telah melalui perlakuan, mulai dari imobilisasi serta penggunaan wadah non-korosif. Dengan demikian, fungsi isolasi fasilitas penyimpanan limbah terselenggara dalam suatu susunan barrier ganda. Dalam sistem penyimpanan limbah, untuk suatu bahan backfill disyaratkan memiliki kemampuan mengontrol laju aliran air tanah dari lingkungan fasilitas ke paket limbah, sekaligus menghambat pelepasan radionuklida keluar fasilitas penyimpanan limbah(2j. Fungsi kontrol bahan backfill terhadap laju aliran air tanah ialah untuk menunda kontak paket limbah dengan air tanah. Kemampuan bahan backfill tersebut mencapai kondisi jenuh setelah suatu periode waktu tertentu, yang diikuti korosi wadah limbah dan pelarutan radionuklida ke badan air tanah. Fungsi bahan backfill dalam hal ini ialah pen.qhambatan pelepasan radionukllida ke luar fasilitas penyimpanan. Proses penghambatan bahan backfill terhadap pelepasan radionuklida umumnya dijelaskan melalui mekanisme sorpsi13j. Dalam makalah ini disajikan hasil penelitian tentang sorpsi radionuklida Co-60, Cs-137 dan Sr-90 pada kaolin it, asal Kulonprogo Yogyakarta. Dalam penelitlan sebelumnya radionuklida-radionuklida terse but telah dipilih untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja sistem limbahl J. Berbagai penelitian penyimpanan telah banyak dipubfikasikan, berkaitan dengan sorpsi pada kaolinitl!>-7j. Untuk program riptek penyimpanan limbah di Indonesia sejumlah penelitian tentang ssorpsi pada bahan alami telah dilakukan, baik sebagai calon bahan backfill maupun sebagai barrier alami dari PPTN[8-13J. 148

2 TAT A KERJA Bahan Contoh kaolinit asal Kulonprogo Yogyakarta, yang diperoleh dari PO Anindya Yogyakarta, dihaluskan dan diayak untuk mendapatkan ukuran butir mesh. Larutan radionuklida yang digunakan ialah C0-60, Cs-137 dan Sr-90, masing-masing pada konsentrasi radioaktif 4, 2 dan 4 IlCilm/. Sebagai pengemban digunakan Co(N03h, CsCI dan Sr(N03h, dari E-Merck (pa), yang masing-masing dilarutkan dalam air murni untuk memperoleh konsentrasi 0,01 N. Metode Teknik pengocokan sederhana secara catu dilakukan dalam wadah polietilen, seperti pada pustaka[141 Padatan kaolinit 0,1 9 dikontakkan dengan 15 ml larutan yang mengandung kobalt, cesium atau stronsium untuk mempelajari kinetika sorpsi, isotherm sorpsi dan reversibiltas sorpsi. Percobaan kinetika sorpsi dilakukan untuk kobalt, pada konsentrasi awal unsur 1x10-6 N, dengan waktu pengocokan bervariasi antara 1 jam sampai 20 hari. Percobaan isoterm sorpsi dan reversibilitas sorpsi dilakukan gada konsentrasi awal unsur bervariasi 1x10 sid 1x10 2 N, dengan menggunakan waktu yang diperoleh dari percobaan kinetika, Pada percobaan reversibilitas sorpsi, digunakan sampel-sampel yang berasal dari percobaan isoterm sorpsi. Padatan yang telah dikontakkan dengan larutan unsur, setelah pemisahan fasa padat dan fasa larutan, dikontakkan kembali dengan 15 ml aquadest. Pemisahan fasa padatan dan larutan dilaksanakan dengan sentrifugasi, dan pengukuran radioaktivitas difakukan dengan bantuan LSC dan MCA. Kuantifikasi sorpsi dilakukan dengan pengukuran koefisien distribusi ~, yaitu ratio konsentrasi unsur dalam fasa padatan [X]. dan dalam fasa larutan kondisi kesetimbangan. Pada penggunaan zat radioaktif koefisen distribusi diberikan oleh persamaan (1) dan ukuran reverisilitas dinyatakan sebagai % R seperti disajikan pada persamaan (2) : K _ [x]s _ v Ao - A d-1xf-m A (1) %R = Cs -Cs' x100% (2) Cs dari persamaan (1) v dan m masing-masing ialah volume fasa larutan dan berat fasa padatan, Ao dan A masing-masing ialah radioaktvitas fasa larutan sebelum dan sesudah pengocokan. Dari persamaan (2) C. dan Cs' masing-masing ialah konsentrasi unsur terserap pada kaolinit, untuk proses sorpsi dan desorpsi. HASIL DAN PEMBAHASAN Kinetika Sorpsi Pad a penelitian ini digunakan larutan sederhana, yaitu pelarut air murni, Dengan maksud untuk mengeliminasi kemungkinan pengaruh bahan terlarut dalam fasa larutan. Dari percobaan kinetika untuk kobalt, seperti disajikan pada Gambar 1, diperlihatkan bahwa kurva koefisien distribusi naik sebagai fungsi waktu kontak diikuti suatu garis mendatar. Awal kurva mendatar tersebut, 3 hari pengocokan, diadopsi sebagai sebagai waktu pengocokan untuk percobaanpercobaan selanjutnya untuk kobalt. Waktu pengocokan untuk percobaan dengan cesium dan stronsium digunakan data dari literatur18j, seperti disajikan dalam Tabel 1. Dikaitkan dengan jangka waktu penyimpanan limbah radioaktif, dapat dinyatakan bahwa kinetika sorpsi cesium, cobalt maupun stronsium pada kaolin it sang at cepat. Isotenn sorpsi. Hasil percobaan isoterm sorpsi diperlihatkan pada Gambar 2 dan Gambar 3. Pada Gambar 2, diperlihatkan bahwa kurva konsentrasi unsur dalam fasa padatan [Rn]. naik secara progresif sebagai fungsi konsentrasi dalam fasa larutan [Rn]" diikuti garis mendatar, yang digunakan sebagai kapasitas sorpsl, Ca. Pada penyajian dalam bentuk log (Gambar 3), diperlihatkan bentuk kurva garis lurus, yang menandakan bawa proses sorpsi ketiga unsur-unsur tersebut mengikuti isoterm Freundlich. Seperti telah banyak dikenal bahwa isoterm Freundlich berkaitan dengan proses sorpsi yang terjadi pada "site" serbaneka pada fasa padatan, dengan afinitas yang berbeda. Secara matematis isoterm Freundlich dapat disajikan dalam ungkapan berikut'15.161: 149

3 o o 5 II! IS 21! 25 t (hari) Gambar 1. Kinetika sorpsi kobalt pada kaolinit Tabel1. Rangkuman sorpsi cesium, cobalt dan stronsium pada berbagai calon bahan 2,55 backfill sistem DenvimDanan limbah radioak' _..- b - 2,22 [11] Ref a C " I<.J K10" 4") Kin tahap 0,99 0,74 0,73 0,82 0,57 0,90 0,80[12] 0,87 0,75 0,84 0,85 0,72 1,0710"582 3,82 6,94 1,61 5,7510" 3,52 8,61 4,67 3,55 1, ,73 2,18 0,97 2,55 0,88 2,25 1, ,24 1,98 ") [10) (10) {13J [11] [9] (5) (1/kg) "' 10'2 10' ") 7 0,65 - [13J [8] 3, " (eq/kg) 0,77 [10) (han) Co Cs Keterangan: Kin ialah kinetika sorpsi; a dan b ialah tetapan persamaan garis Freundlich: y = ax + b; Ca ialah kapasitas sorpsi; Kd ialah koefisien distribusi pad a konsentrasi unsur dalam fasa Jarutan [XJ, = 1 IN; K ialah tetapan kesetimban9an sorpsi sederhana; X, + S ~ Xs 150

4 H.OE-OI 6.0 [':-0 I 2.01<:~0I II.OE+IIO II.IIE+OII 5.0E-03 (I{n h (N./I) 1.111<:-02 Gambar 2. Isoterm sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada kaolin it 1.01<:+00 ~ be '& ~ = ~ I.OE-04 I.OE E-1O I.OE-OH 1.0E-0(, 1.0E E-02 Gambar 3. Bentuk log isoterm sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada kaolin it.-au:ludolqm bufltuk log;ritmik (3) log[x]s = logca 1 nlogk + nlog[x1 (4) Ca dan K masing-masing ialah kapasitas dan tetapan kesetimbangan sorpsi, dan n ialah tetapan Freundlich. Tetapan kesetimbangan tersebut merupakan tetapan untuk suatu proses kesetimbangan yang sederhana seperti berikut: diperjihatkan pada persamaan XI + S B Xs (5) S ialah site sorpsi pada fase padatan. Dari pengukuran koefisen arah persamaan (3) dapat diperoleh harga tetapan n, dan dengan menggunakan harga Ca serta Intrapolasl ke sumbu 8S81 dapat dlporofeh tetapan kesetimbangan sorpsi K. Diperoleh pula suatu koefisien distribusi Kd. pada konsentrasi unsur dalam fasa larutan yang rendah [X], = 1 /IN. HasH pengamatan kapasitas serap serta dari pengukuran parameter garis Freundlich dirangkum pada Tabel1. Pad a Tabel 1 tersebut juga disajikan hasil percobaan lain, yaitu sorpsi pada tanah permukaan (soif) Serpong, tanah permukaan (soif) Lemahabang Semenanjung Muria. maupun ballclay dan lempung sayati(8-13j HasH yang analog diperlihatkan untuk bahanbahan lain tersebut, bahwa isoterm sorpsi 151

5 yang mengikuti aturan Freundlich. Secara umum dapat dinyatakan bahwa afinitas sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada bahan-bahan tersebut besar. Yaitu dengan kapasitas sorpsi Ca, dan koefisien distribusi K.I yang tinggi. Dalam beberapa hal, faktor favorabel tersebut didukung dengan konstanta kesetimbangan sorpsi K yang besar. Khusus untuk s,orpsi cesium pada lempung sayati diperlihatkan adanya kapasitas lain yang lebih tinggi, yaitu 0,255 eq/kg [9]. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa bahan-bahan terse but dapat dipertimbangkan untuk digunakan sebagai bahan backfill pada sistem penyimpanan limbah radioaktif. Reverisbilitas Sorpsi Hasil percobaan reversibilitas sorpsi pad a kaolin it disajikan pad a Gambar 4, yang mempertihatkan bahwa nilai %R rendah untuk cesium (± 6,5%) dan kobalt (± 2,5%) pada konsentrasi rendah. Nilai %R meningkat untuk konsentrasi kedua unsur tersebut, hingga 60-80% pad a konsentrasi tinggi. Namun demikian nilai %R pada konsentrasi rendah akan lebih aplikabel mengingat bahwa konsentrasi molar radionuklida yang akan dapat ditemukan pada kondisi tersebut sang at rendah. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa proses sorpsi cesium dan kobalt pada kaolin it terjadi secara irreversible. Untuk percobaan dengan stronsium, diperlihatkan bahwa nilai %R lebih tinggi (± 30%) dan merata mulai konsentrasi rendah hingga konsentrasi tinggi. Namuin demikian nilai %R ~. CI: 100!! 1 60 ~ E ~s E :-06 terse but masih dapat diterima. Seperti pada kasus cesium dan kobalt, konsentrasi molar stronsium juga sang at rendah. Pembahasan Umum Seperti telah disebutkan dalam banyak pustaka bahwa sorpsi pada bahan lempung umumnya terjadi melalui mekanisme penukaran ion [16]. Yaitu pertukaran kation dalam larutan dengan kation exchangeable, yang berasal dari fasa padatan lempung. Kation yang berasal dari fasa padatan lempung tersebut umumnya ialah ion-ion Na+, K+, Mg2+, Ca2+ dan H+. Hal ini juga ditunjukkan pad a suatu publikasi tentang sorpsi neodymium pada smektit, sejenis bahan lempung lain, bahwa diamatinya unsur-unsur tersebut dalam fasa larutan tersebut setelah pengocokan dengan padatan smektit [17]. Sebagai model, reaksi pertukaran ion tersebut dapat ditulis seperti berikut: (6) dengan indeks I menunjukan kation dalam fasa larutan, sedangkan indeks 5 menunjukkna kation dalam fasa padatan. Atas dasar tersebut, maka tetapan kesetimbangan sorpsi K yang diperoleh dari persamaan (3) hanya merupakan tetapan biasa, tanpa arti fisis. Dari model reaksi pertukaran ion di atas pada persamaan reaksi (4), tetapan kesetimbangan Keq dapat ditulis sebagai: 1.0E-02 IRn~J (eqll) Gambar 4. Reversibilitas sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada kaolin it. 152

6 (7) a ialah keaktifan kation yang dapat digantikan dengan konsentrasi, dengan memberikan faktor koefisien keaktifan. Selanjutnya dari pendekatan ini dapat dihitung koefisien distribusi, namun umumnya terdapat kesulitan karena data ten tang koefisien keaktifan dalam padatan jarang ditemukan dalam pustaka. KESIMPULAN Dari percobaan sederhana telah diperoleh data tentang sorpsi cesium, cobalt dan stronsium pada kaolin it, sebagai calon untuk bahan backfill dalam sistem penyimpanan limbah aktivitas rendah dan sedang. Sorpsi unsur-unsur tersebut pada kaolinit, mengikuti isoterm Freundlich dengan kinetika sorpsi yang relatif cepat kwasi irreversible serta afinitas yang besar. Kapasitas yang besar dan koefisien distribusi yang tinggi, merupakan faktor favorabel bagi retardasi migrasi radionuklida dalam bahan backfill system penyimpanan limbah. UCAPAN TERIMA KASIH Ditujukan kepada P.D. Yogyakarta, atas bantuan bahan yang digunakan dalam penelitian ini. Anindya kaolin it, DAFTAR PUSTAKA 1. K.W. HAN, Overview of LlLW Disposal, paper presented in the IAEA RTC on Disposal of Low and Intermediate Level Waste with Emphasis on Non-Power Sources, IAEA/KAERI, Taejon Korea 26 Oct - 13 Nov R. PUSCH, "Use of clays as buffer in radioactive repository", Unlv. Lulea, Sweden, Report for SKBF/KBS (1983) 3. I.G. McKINLEY, J. HADERMANN, "Radionuclide sorption data base for Swiss safety assessment", NAGRA TR 84-40, Wurenlingen-Switcherland, (1985). 4. Suryanto, Analisis Inventory Radionuklida dan Pembangkitan Panas dalam Disposal limbah Radioaktif, Hasil Penelitian PTPLR 1996/1997, 168 (1997) 5. H.N. ERTEN, S. AKSOYOGLU, S. HATIPOGLU, H. GOKTURK, Sorption of cesium and strontium on montmorillonite and kaolinite, Radiochim Acta 44/45, 147 (1988). 6. M. PETRANGELI PAPINI, M. MAJONE, E. ROLLE, Kaolinite sorption of Cd, Ni and Cu from landfill leachates: influence of leachate composition, Water Sci. Technol. 44, 243 (2001). 7. G. ATUN, E. BASCETIN, Adsorption of barium on kaolinite, illite and in montmorillonite various ionic strength, Radiochim. Acta 91, 223 (2003). 8. AH.B. Martin, Sofyan Yatim, Pratomo Budiman-S.., Sorpsi cesium oleh tanah sekitar calon tapak penyimpanan limbah radioaktif sistem tanah dangkal Kawasan Serpong, Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, PPNY - Yogyakarta, 414 (1993). 9. Dewi Susilowati, Marwoto, AH.B. Martin, Pratomo Budiman-S., Sorpsi cesium pada lempung Sayati, Prosiding Seminar Teknologi dan Keselamatan Reaktor, serta Fasilitas Nuklir, PRSG/PPTKR BATAN - Serpong, 265 (1994). 10. AH.B. Martin, Pratomo Budiman-S, Eriendi, Serapan cesium, cobalt dan stronsium pada Ballclay, Prosiding Seminar Teknologi Limbah II, PTPLR BATAN, Peb.1999, Pratomo Budiman-S., Serapan cobalt dan stronsium pada lempung Sayati, J. Teknol. PengeJolaan Limbah 2 (1), (1999). 12. Teddy Sumantri, Menik Rahmawati. Sucipta, Pratomo Budiman-S., Sorpsi kobalt pada tuffaan dari calon tapak penyimpanan limbah di Lemahabang Semenanjung Muria, Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan don TeknoJogi Nuklir, P3TM BATAN, 332 (2003). 13. Pratomo Budiman-S, Sucipta, Teddy Sumantri, Sorption of cesium and strontium on tuffaceous soil from Muria Peninsula, Central Java, Paper presented in the 9th International Conference on Chemistry and Migration Behavior of Actinides and Fission Products in the Geosphere, September 21-26,2003, Gyeongju Korea. 153

7 14. Pratomo Budiman-S., Disertasi Doktor, Univ. Paris XI (1991). 15. B.W.M. TRAPNEL, "Chemisorption", Butterworths Scientific Pub!. London, (1955). 16. L. LARSEN, P. BO, Sorption of Radionuclides on clay minerals, Proceed. Int. Symp. on Migration in the Terrestrial Environment of. Long-lived Radionbuclides, Knoxville-USA (1981), IAEA-Vienna, 97 (1982). 17. Pratomo Budiman S. Sorpsi neodymium sebagai analog aktinida pada smektit, Presiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, PPNY - Yogyakarta, 788 (1992) 154