KARAKTERISASI ELEKTRODA TITANIUM UNTUK REGENERASI ELEKTROLIT DEKONTAMINASI SECARA ELEKTRODEPOSING

Transkripsi

1 KARAKTERISASI ELEKTRODA TITANIUM UNTUK REGENERASI ELEKTROLIT DEKONTAMINASI SECARA ELEKTRODEPOSING ABSTRAK Sutoto Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN KARAKTERISASI ELEKTRODA TITANIUM UNTUK REGENERASI ELEKTROLIT DEKONTAMINASI SECARA ELEKTRODEPOSING. Telah dilakukan percobaan pengambilan besi (Fe +2 ) dari elektrolit Fe 2 SO 4 secara elektrodeposing memakai katode Ti dan anoda Pt. Tujuannya adalah mengetahui kemampuan bahan titanium sebagai katode proses regenerasi elektrolit elektrodeposing sehingga dapat menurunkan jumlah limbah sekunder proses dekontaminasi peralatan nuklir. Percobaan elektrodeposing dilakukan menggunakan simulasi elektrolit Fe 2 SO 4 berkonsentrasi 10,424 mmol/l pada ph 2,0 dengan kuat arus difusi 153,8 ma.cm -2 dan diaduk dengan kecepatan putaran 120 rpm. Waktu pengaliran arus ditentukan variasinya, yaitu selama 2, 5, 30 dan 60 menit. Endapan besi yang terbentuk masing-masing disaring dan dicuci dengan air dan aseton sebelum dikeringkan dalam oven yang bertemperatur C selama 1 jam. Penentuan hasil elektrodeposing dilakukan dengan cara penimbangan. Dari percobaan diketahui adanya hubungan langsung antara waktu lamanya pengaliran arus dengan terbentuknya endapan Fe. Efisiensi regenerasi maksimum yang diperoleh adalah 32,080 %, yaitu elektrodeposing dengan pengaliran arus selama 60 menit.. ABSTRACT CHARACTERIZATION OF TITANIUM AS ELECTRODE MATERIAL FOR REGENERATION OF DECONTAMINATION ELECTROLYTE WITH ELECTRODEPOSING METHOD. Experimented by taking the iron (Fe +2 ) from Fe 2 SO 4 electrolyte was held by electrodeposing using Ti catode and Pt anode. It aim is to know the ability of titanium material as catode in regeneration of electrolyte process by electropolishing until can reduce the amount of secondary waste of decontamination nuclear equipments. Electrodepolishing experiment used Fe 2 SO 4 electrolyte simulation with concentrate 10,424 mmol/l at ph 2,0 with current diffusion 153,8 ma.cm -2 and stirred in rotation velocity 120 rpm. Current flowing time was given in variation of 2, 5, 30, and 60 minutes. Iron suspended which created is filtered and washed with water and acetone before it dried in oven with temperature C for a hour. Assignment of electropolishing result conducted by weighing. From experiment the direct connection between current flowing time and the create of iron suspended is known. The maximum regeneration efficiency is 32,080 %, which is electrodepolishing with current flowing time in 60 minutes. PENDAHULUAN Sebagian besar peralatan nuklir terbuat dari bahan metal alloy yang nilai kekuatan mekaniknya tinggi dan tahan korosif. Sinergi kedua parameter tersebut bertujuan untuk meningkatkan keselamatan operasional untuk jangka panjang. Pemeliharaan dan perawatan (maintenance) peralatan selalu dilakukan sesuai dengan jadwalnya, sehingga fungsi dan unjuk kerjanya (performance) terjamin baik. Peralatan yang telah dipakai dan bersinggungan langsung dengan zat radioaktif menjadi aktif karena proses kontaminasi. Keberadaan kontaminan dapat terjadi secara menempel atau masuk kedalam pori-pori bahan peralatan tergantung dari pada umur pemakaian dan kualitas bahannya. Tindakan maintenance yang membutuhkan perbaikkan atau penggantian suku cadang terkadang mengharuskan operator untuk mendekati peralatan yang terkontaminasi. Keadaan darurat tersebut dimungkinkan terjadi karena lokasi keberadaan peralatannya tidak terjangkau oleh manipulator. Untuk keadaan tersebut, maka diperlukan perlakuan dekontaminasi awal untuk menurunkan tingkat radioaktivitasnya sampai batas aman untuk pekerja melakukan pekerjaannya. Dengan memperhatikan ketentuan ALARA (as low as reasonable acheavement) dan mengikuti PROTAP (prosedur tetap) dan JUKLAK (petunjuk pelaksanaan) yang telah tersedia maka program pekerjaannya akan dapat diselesaikan dengan baik. Untuk peralatan dengan tingkat presisi tinggi dan mahal, maka program dekontaminasi yang akan dilakukan harus memperhatikan tingkat hasil kerusakannya. Dengan cara memilih metode dan memakai prosedur dekontaminasi yang tepat dan efisien maka akan dihasilkan produk dekontaminasi yang sesuai tujuan yaitu peralatan yang dapat dipakai ulang (reused). Salah satu metode yang cocok dipakai adalah metode elektrodeposing, yaitu pengikisan 255

2 bahan yang terjadi akibat adanya reaksi oksidasi di permukaan anoda sel elektrokimia yang diisi elektrolit dan dialiri arus listrik. Reaksi elektrokimia yang terjadi dengan elektrolit H 2 SO 4 dapat dilihat seperti persamaan [1-5]. Hidrolisis elektrolit H 2 SO 4 H 2 SO 4 (larutan) 2 H 3 O SO 4 (1) 2 H 3 O + 2 H 2 O + 2 H + (2) Reaksi anodik M M n+ + n e - (oksidasi logam mjd ion) (3) 2 M n+ + SO 4-2 2n M(SO 4 ) (4) Reaksi katodik 2 H e - H 2 (5) Oleh karena sebagian besar peralatan nuklir terbuat dari bahan stainless steel, maka di dalam elektrolit bekasnya mengandung garam FeSO 4 dan kontaminan-kontaminan hasil pengikisannya yang volumenya tergantung dari luasnya pemukaan peralatan dan tingkat radioaktifnya. Dari kegiatan dekomisioning suatu instalasi nuklir, limbah sepert diatas akan ditemukan dalam jumlah besar karena program dekontaminasi dipakai sebagai langkah awal untuk tercapainya keselamatan kegiatan dismatlingnya. Elektrolit bekas tersebut digolongkan sebagai limbah sekuder yang harus dikelola secara baik sehingga tidak berbahaya ke lingkungan. Laju reaksi oksidasi di anoda sebagai mekanisme terjadinya pengikisan besarnya tergantung dari kemampuan elektron mendifusi diantara kedua elektrodanya. Keberadaan kontaminan dan garam hasil pengikisannya akan menghambat jalannya elektron dan menyebabkan turunnya laju reaksi oksidasinya. Batas kandungan Fe +2 di dalam elektrolit 30 g/l akan menurunkan laju reaksi oksidasi (1), sehingga perlu dilakukan regenerasi pengambilan kation-kationnya. Proses elektrodeposing yang merupakan pengendapan kation dengan mekanisme reaksi reduksi di katoda adalah proses yang menguntungkan karena dapat dilakukan dengan cepat. Reaksi yang terjadi di pengambilan katioan tersebut dapat dilihat di persamaam [6-9]. FeSO 4 (lar) Fe +2 + SO 4-2 (6) SO 4-2 S 2 O e - E oks = -2,01 volt (7) 2 H 2 O 4H + +O e E oks = volt di anoda (8) Fe +2 (lar) + 2 e - Fe di katoda (9) Kemudian untuk meningkatkan proses regenerasi tersebut, maka diperlukan pemilihan bahan bahan katoda yang dapat dipakai sehingga proses dekontaminasi elektrodeposing tidak menemui kendala. Proses regenerasi yang dilakukan juga merupakan upaya untuk meminimalisasi limbah sekunder. TATA KERJA Bahan Larutan Fe 2 SO 4 konsentrasi 10,424 mmol/l sebagai elektrolit/limbah simulasi dan H 2 SO 4 dipakai sebagai pengatur tingkat keasaman ph 2.0. Alat Peralatan gelas laboratorium, pasangan elektroda Pt/Ti dengan spesifikasi katoda bahan Ti berukuran (panjang x lebar x tebal) adalah 6 x 2 x 0,2 cm dan platina (Pt) berbentuk batangan berdiameter 0,5 cm sebagai anoda. Sistematikan peralatan sel elektrokimia seperti pada gambar.1 Timbangan elektrik digital, oven pengering, kertas saring Whatman, stopwatch, pengaduk magnetik dan generator sumber arus bertegangan searah. Metode Sampel limbah simulasi yang dipakai adalah 250 ml larutan Fe 2 SO 4 berkonsentrasi 10,424 mmol/l dengan ph 2,0. Pengaturan keasaman dilakukan dengan menambahkan sejumlah H 2 SO 4 ke dalam sampel sambil diaduk dengan magnetic stirrer. Pengukuran keasaman dilakukan dengan ph meter jenis digital. Percobaan elektrodeposing dilakukan dengan cara mencelupkan pasangan elektroda Pt/Ti ke dalam sampel. Elektroda Ti dipasang sebagai katoda bermuatan negatip dan Pt sebagai anoda bermuatan positip dengan sistematika sel elektrodeposing seperti terlihat pada Gambar 1. Kemudian di kedua kutub elektrodanya dihubungkan dengan sumber listrik arus searah dengan kuat arus 10 ampere. Jarak antara kedua elektroda diatur sekitar 3 cm dan larutan diaduk dengan pengaduk magnetik berkecepatan 200 rpm. Percobaan dilakukan dengan memvariasikan waktu pengaliran arus listrik dari 2, 5, 30 dan 60 menit. Hasil proses elektrodeposing adalah padatan/serbuk Fe yang berada sebagian menempel dipermukaan katoda dan sebagian jatuh dan menempel di batang pengaduk magnetik 256

3 dikumpulkan dengan penyaringan dan dicuci menggunakan air dan aseton kemudian dikeringkan di dalam oven bertemperatur C. Selanjutnya berat Fe yang ditentukan dengan cara ditimbang. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk menurunkan tingkat radioaktivitas kontaminan yang menempel di permukaan bahan/peralatan dapat dilakukan dengan beberapa metode, diantaranya adalah metode elektrokimia. Metode tersebut mendasarkan pada terjadinya reaksi oksidasi dan reduksi (redoks) di ke dua permukaan elektroda yang dimasukkan ke dalam elektrolit dan diberi muatan listrik. Elektron bergerak mendifusi diantara kedua elektroda tersebut, sehingga mengakibatkan terjadinya polarisasi muatan molekul elektrolit/zat yang ada Reaksi oksidasi terjadi di anoda dan reaksi reduksi di katoda. Proses dekontaminasi yang bertujuan mengambil kontaminan yang menempel di permukaan bahan dapat berlangsung cepat jika keberadaan kontaminan hanya menempel di permukaan luar dan berbeda jika keberadaannya ada di dalam pori-pori bahan. Untuk itu maka perlu dilakukan pengikisan bahan peralatannya, sehingga kontaminan akan lepas terikut bersama partikel hasil pengikisannya. Hampir sebagian besar peralatan nuklir terbuat dari bahan stainless steel yang bersifat tahan korosif bahan kimia dan tingkat kekerasannya tinggi. Metode dekontaminasi yang efektif dipakai adalah dengan elektrodeposing, yaitu dengan cara menempatkan metal/logam terkontaminasi sebagai anoda sehingga kation-kation logamnya akan tereduksi menjadi ion-ion yang larut dalam elektrolit. Pada elektrodeposing stainless steel maka hasil reaksi reduksinya adalah ion-ion Fe +2, Cr +3 dan Ni +2 yang terus akan meningkat seiring dengan proses dekontaminasi yang dilakukan. Pada keadaan jumlah kandungan Fe +2 adalah 30 g/l laju proses dekontaminasi akan menurun, sehingga diperlukan tindakkan untuk mengurangi jumlah kation yang ada dan metode elektrodeposing adalah cara cepat untuk mengatasinya. Pemilihan bahan elektroda proses elektrodeposing. Untuk menghindari terjadinya reaksi yang tidak diinginkan maka perlu dilakukan pemilihan bahan elektroda yang dipakai. Khususnya adalah penentuan jenis bahan untuk anoda. Bahan anoda yang iner seperti Pt, Carbon dan Au dapat dipakai, karena nilai potensial oksidasinya relatif kecil. Sedangkan untuk bahan katoda dipilih bahan yang reaktifitasnya terhadap solven adalah rendah atau tak bereaksi pada kondisi pelaksanaan elektrodeposing dilakukan. Off gas Off gas Fe +2 Fe 2 SO 4 H 2 SO 4 Membran Elektrolisa Elektropolising Elektrodeposing Gambar 1. Sistematika peralatan sel elektrokimia 257

4 Proses elektrodeposing larutan FeSO 4 Indikasi awal terjadinya reaksi redoks dapat diketahui dengan terbentuknya gelembung gas di permukaan anoda. Semakin lama waktu elektrodeposingnya, maka gelembung gas yang terbentuk semakin besar. Indikasi lainnya adalah terbentuknya serbuk/padatan berwarna abu-abu yang menempel di permukaan katoda. Padatan tersebut adalah molekul Fe (besi) hasil reaksi reduksi di permukaan katoda dari Fe +2 (larutan) menjadi Fe, seperti persamaan di bawah : Gelembung gas yang dihasilkan di anoda tersebut adalah O 2 yyang terbentuk karena oksidasi H 2 O yang nilai potensial standarnya (E 0 ) lebih besar dari pada nilai -2 potensial standar oksidasi SO 4 menjadi -2, S 2 O 8 yaitu sesuai persamaan 6 dan 7. Semakin lama waktu pengaliran arus elektrodeposing, maka didapatkan semakin besarnya jumlah padatan Fe terbentuk yang keberadaannya terdistribusi sebagian menempel di permukaan katoda dan lainnya jatuh ke dasar beker glass dan ada yang menempel di batang pengaduk magnetik. Atom Fe yang terbentuk bersifat magnetik.. Hasil penimbangan berat Fe yang terbentuk dari percobaan seperti ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 2. Kemudian untuk mengetahui efisiensi proses pengambilan Fe +2 dilakukan perhitungan menggunakan Persamaan 9, yaitu : Er = (AFe BFe) x 100 % (9) AFe Keterangan: Er AFe BFe : Efesiensi recovery : Berat Fe perhitungan : Berat Fe percobaan Gambar 2. Hubungan antara waktu elektrodeposing dan mol Fe yang dihasilkan di katoda Titanium 258

5 Tabel 1. Berbagai berat Fe hasil elektrodeposing FeSO 4 menggunakan katoda bahan Titanium Bahan Berat Fe terukur (mg) Efisiensi Laju Waktu Fe terambil Elektroda di di regenerasi regenerasi Fe (menit) Jumlah (mmol) Katoda Filter (%) (mmol/menit) Titanium 2 1,13 1,30 2,43 0,053 2,15 0, ,97 5,30 7,27 0,130 4,990 0, ,40 28,23 32,63 0,583 22,371 0, ,53 33,27 46,80 0,836 32,080 0,014 Gambar 3. Hubungan antara waktu elektrodeposing dan Fe yang dihasilkan di katoda SS 304 Dari Tabel. 1 dan Gambar 2 diketahui bahwa semakin lama waktu elektrodeposingnya, maka semakin besar jumlah Fe terbentuk di katoda Ti. Hal tersebut menunjukkan bahwa adanya reaksi reduksi di katoda Ti. Jika hasil tersebut dibandingkan dengan besarnya endapan hasil perhitungan dengan persamaan 4, maka terlihat bahwa endapan Fe hasil percobaan nilainya masih relatif kecil dan hal tersebut dapat disebabkan oleh kurang besarnya kuat arus yang dipakai atau dipengaruhi oleh terbentuknya lapisan film di permukaan elektrodanya sehingga menghalangi proses difusi elektronnya. Kurang optimalnya putaran pengadukkan elektrolit dapat juga mengakibatkan laju proses redoks di kedua elektroda berjalan lambat. Efisiensi reduksi Fe +2 menjadi Fe yang terjadi di katoda masih relatif kecil, yaitu berkisar antara 1,0 sampai 2,4 %. Untuk meningkatkan efisiensi elektrodeposing diperlukan waktu pengaliran arus yang lebih lama sesuai dengan kecenderungan menaiknya kurva pembentukkan Fe di katoda. Sebagai upaya untuk meningkatkan efisiensi proses, maka kuat arus dan laju pengadukkan elektrolit harus dinaikkan sampai batas optimumnya. Dengan didapatkan hasil yang optimum, maka dekontaminasi bahan SS 304 dengan metoda electropolishing akan dapat berjalan baik dan berkurangnya limbah sekunder yang ditimbulkan. Minimilisasi limbah sekunder di proses dekontaminasi elektrokimia akan dapat dilakukan. KESIMPULAN Dari percobaan dapat diketahui bahwa titanium dapat dipakai sebagai bahan katoda elektrodeposing pengambilan besi (Fe) dari FeSO 4 hasil proses dekontaminasi secara elektrodeposing. Proses elektrodeposing yang dilakukan juga juga merupakan upaya meminimalisasi limbah sekunder proses dekontaminasi. Efisiensi pengambilan Fe maksimum yang didapatkan adalah 32,08 %. 259

6 DAFTAR PUSTAKA 1. SUTOTO, TANIMOTO, K Low Level Waste Treatment and Volume Reduction Techniques, OEC, PNC Japan, WMS PA WILLIAM F. SMITH Principles of Matterials Science And Engineering McGraw-Hill, Inc, International Edition, USA, KHOPKR S. M. Konsep Dasar Kimia Analitik Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta, Garlea C., I. Garlea, C.Kekerman, A. Rodna Decontamination and Provenence Tracking, International Conference on Safe Decommisioning for Nuclear Activities Berlin, Germany Oktober 2002, IAEA WURYANTO Elektrokimia Diklat Analisis Kimia Instrumental, Pusdiklat Batan, Jakarta BRADBURY, D ELDER G.R, WOOD C.J Decontamination and Provenence Tracking, International Conference on Safe Decommisioning for Nuclear Activities Berlin, Germany Oktober 2002, IAEA SHIOTSKI MASAO, IKEDA SATOSHI, MIYAO HIDEHIKO Development of Decommissioning Technologies for Nuclear Fuel Cycle Facility in Waste Dismantling Facility PNC Japan,