Busron Masduki, R. Didiek Herhady, Endang Susiantini dad Dwi Heru Sucahyo. Pus/itbang Tekn%gi Maju Batan, Yogyakarta.

Transkripsi

1 Busron Masduki, dkk. ISSN ~ PEMBENTUKAN KRAD P ADA LARUT AN URANIUM DAN TORIUM PROSES STRIPPING Busron Masduki, R. Didiek Herhady, Endang Susiantini dad Dwi Heru Sucahyo Pus/itbang Tekn%gi Maju Batan, Yogyakarta. 2/9-7- ABSTRAK ', s If PEMBENTUKAN KRAD PADA PROSES STRIPPING LARUTAN URANIUM DAN TORIUM. Telah dilakukan proses stripping untuk memisahkan torium dan uranium dalam lase organik. Setelah proses pemisahan tersebut. torium masuk ke lase air sedang uranium tetap di lase organik. Di zone stripping ini masih mungkin terjadi pembentukan krad. karena pembentuk krad hasil hidrolisis TBP yakni MBPIDBP serra produk jisi zirkonium. selama proses terbawa oleh lase organik. Uranium sebagai elemen individu dalam lase organik tidak menimbulkan krad. Pada zone stripping krad terbentuk dan sangat dipengaruhi oleh keasaman stripper. Proses stripping dalam pesawat pengaduk pengenap satu stage pada kondisi {ThJ = /99./8gll. [UJ = 28.85gll. rpm = /800. ala =/. dengan stripper asam nitrat. keasamanstripperyang terbaik = O,5N. Pada keasaman stripper = O,5N pembentukon krad pada zone stripping dapat dikendalikan. ABSTRACT CRUD FORMATION IN THE STRIPPING PROCES'S OF URANIUM -THORIUM SOLUTION. It was carried out stripping processes to separate thorium and uranium in organic phase. After partitioning, the thorium was stripped into the aqeous phase while uranium remained in the organic phase. In the stripping zone, the crud formation still possible since the hidrolized product of MBPIDBP and fission product zirconium were in the stream of organic phase. As an individual uranium element did not form crud. In the stripping zone crud formation was influenced by the stripper acidity. Stripping processes in one stage mixer settler. in the conditions offthj = gll.. {UJ =18.85 gl/. rpm = 1800, 0/0 ~J., iising nitric acid stripper. the optimal acidity was O.5N. For the stripper acidiy ofo.5n. the crud formation in the stripping zone could be controlled. PENDAHULUAN T orium merupakan bahan bakar reaktor ketiga setelah uranium dan plutonium. Abundansi di alam cukup tinggi, duakali lipat dibandingkan abudansi uranium. Indonesia memiliki deposit monasit yang mengandung torium (5-8)%(1). Pengembangun reaktor daya maju HTR lebih prospektif karena bahan bakar HTR dapat menggunakan 002 atau bahan bakar campuran (0, Th)02. Disamping penggunaan torium dalam HTR memberi kontribusi dalam pembakaran plutonium lebih besar, produk fisi yang dihasilkan lebih sedikit, burn-up lebih tinggi, suhu lebih tinggi, mendukung keberlanjutan karena cadang uranium yang terbatas(2). Bahan bakar campuran tersebut dapat dibuat dengan proses sol gel sedang untuk reaktor daya maju LWR dapat menggunakan teknologi serbuk J!1aupun proses sol-gel. Darl segi netronik yang muncul dalam siklus bahan bakar torium menghasilkan jumtah netron tertinggi dibandingkan semua bahan fisil hila digunakan dalam spektrum netron termal. Dengan yang reaktif, ukuran bahan bakar menjadi lebih kecil, dimensi teras reaktor kecil, penggunaan torium akan menaikkan densitas daya dan suhu bahan bakar lebih tinggi(3). Bahan bakar bekas campuran (U, Th)02' setelah dilakukan -pemecahan dan penggerusan, - pembakaran untuk menghilangkan karbon, - pel indian dengan asam, dekantasi/filtrasi, serta - pengaturan umpan, dilakukan ekstraksi. Proses ekstraksi dengan basis bahan bakar torium disebut proses torex(4.s). Pada proses ko-ekstraksi uraniumtorium krad terbentuk dengan formula., Th(DBP)4. DBP berasal dati proses hidrolisis dan radiolisis TBP dan kemudian terbawa juga ke zone stripping (Pemisahan uranium dan torium) melalui rase organik. Demikian juga produk fisi zirkonium tidak seluruhnya terpisah masuk kedalam rafmat pada proses ko-ekstraksi sehingga sebagian juga terbawa ke zona stripping melalui rase organik dan kemungkinan dapat membentuk krad ZrO(DBP)2. Terbentuknya krad di zona stripping ini sangat dipengaruhi oleh keasaman larutan(6). Keberadaan zirkonium dapat dicermati pada ujung akhir flowsheet proses torex masih diperlukan pemumian uranium dengan silika gel, penukar ion untuk memisahkan zirkonium(7) dan pengotor lainnya. Reaksi stripping torium-uranium di dalam rase organiksbb.: - Proslding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7-8 Agustus 2001

2 ISSN Busron Masduki, dkk. HNO3 encer UO2(N 3)2.2TBPfo + Th(N 3)4.2TBPfo ~ UO2(N 3)2.2TBPfo + Th(N 3)4fa rase organik Reaksi pembentukan krad (dalam rase organik): Th4+ + 4(DBP)" ~ Th(DBP)4 (I) ZrO2+ + 2(DBP)" ~ ZrO(DBP)2 (2) Bila diperhatikan maka krad yang terbentuk pacta reaksi (1) dan (2) acta gugus ligan yakni - [(C4~hP04]' Dalam gugus ligan acta dua gugus terpisah yakni liopil [-0-] yang suka air dan gugus liopob -[C4~] yang benci air. Bagian liopob ditolak oleh molekul pelarut sehingga molekul didesak keluar atau ke permukaan. Kalau pelarutnya air maka gugus yang didesak keluar adalah gugus non polar, sehingga pacta interface gugus yang polar menghadap ke airs,9). Gambar sederhana pembentukan krad pacta interface sbb.: interface faseair faseorganik C4H9 C4H9 C4H9 C4H9 ---~- I I-~--" ,,/ ',,/ 0 = P-O -Zr-O-P = 0 II 0 hidrofob hidrofil Apabila pembentukan krad itu tidak dikendalikan maka proses pemisahan U- 111 tersebut tidak berlangsung, karena krad menggangu proses perpindahan massa. Dengan demikian permasalahan yang timbul adalah apakah pada zona stripping masih mungkin terbentuk krad, apabila terbentuk bagaimanakah pembentukan krad dapat dikendalikan. Untuk memecahkan masalah tersebut dilakukan penelitian pembentukan krad di zone stripping terhadap perubahan keasaman stripper. TATA KERJA 1. Bahan: a. Torium nitrat b. Uranil nitrat c. Larutan DBP/MBP Ill, Merck d. Zirkonil nitrat, Merck e. Asam nitrat, Merck f. Aquadest / ABM-P3TM g. Bahan kimia analisis, Merck Alat : a. Pesawat pengaduk Pengenap 16 stage b. Pesawat Pengaduk Pengenap satu stage c. Alat gelas d. Potensiograph e. Alat titrasi volumetri 3. Cara kerja : a. Dilakukan ekstraksi uranium dari rase air dengan TBP yang diencerkan dengan n- dodekan hingga [TBP] = 30%, dengan pesawat pengaduk pengenap 16 stage. Diperoleh larutan rase organik yang kaya uranium 181,45 gram/liter. Larutan rase organik ini dijadikan 1arutan induk untuk percobaan stripping. b. Dilakukan stripping larutan rase organik yang kaya uranium dengan pesawaio pengaduk pengenap satu stage dengan berbagai keasaman stripper, a/o = 1, rpni = Pengotor MBPIDBP ditambahkan dalam larutan dtngan lajur alir 10 mvjam, [Zr] = 10 ppm, untuk mengamati pembentukan krad. c. Dilakukan ekstraksi uranium-torium dari rase air dengan TBP yang diencerkan dengan n-dodekan hingga [TBP] = 30%, dengan pesawat pengaduk pengenap 16 stage. Diperoleh larutan rase organik yang mengandung torium 199,18 gram/liter dad uranium 28,85 gram/liter. Larutan rase organik ini dijadikan larutan induk untuk percobaan stripping. d. Dilakukan stripping larutan rase organik yang kaya torium dad uranium dengan pesawat pengaduk pengenap satu stage, dengan berbagai keasaman stripper untuk optimasi keasaman terhadap basil stripping uranium dad torium. e. Dilakukan stripping pada kondisi keasaman optimum (hasil d), dengan pesawat pengaduk pengenap satu stage, a/o = 1, rpm = Pengotor MBP/DBP di-_tambahkan dalam larutan dengan laju alir 10 mvjam, [Zr] = 10 ppm, untuk mengamati pembentukan krad. Adapun metodologi penelitian diberikan Gambar 1. dalam Proslding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

3 Busron Masduki, dkk. ISSN METODOLOGI PENELITIAN Fase air U + 1l} dad U ~ ~ rase organik U+Th atau U Gambar 1. Metodologi penelitian Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

4 156 ISSN Busron Masduki, dkk. HASIL DAN PEMBAHASAN (2) mengamati pembentukan krad pada keasaman stripper optimal [basil(1)] Percobaan dimulai dengan melakukan (3) mencermati pengaruh keasaman stripper eksraksi dengan rase air kaya uranium, pada pembentukan krad menggunakan ekstraktan TBP yang diencerkan dengan n-dodekan hingga [TBP] = 30%. Diperoleh larutan rase organik kaya uranium, [V] = 181,450 g/l. Larutan rase organik tersebut sebagai bahan untuk percobaan pengaruh uranium dan keasaman rase air (stripper) terhadap pembentukan krad. Hasil percobaan disajikan pada Tabel I. Dari data percobaan pada Tabel I jelas bahwa uranium maupun keasaman umpan tidak berpengaruh terhadap pembentukan krad. Sesuai teori unsur pembentuk krad terutama adalah torium, MBPIDBP dad zirkonium. Terbukti uranium sebagai individu unsur maupun bersama pembentuk krad (MBPIDBP dad zirkonium) tidak dapat membentuk krad. Percobaan selanjutnya dimulai dengan membuat larutan untuk umpan stripping kaya torium dad uranium, dengan cara melakukan ek~traksi me::jggunakan pesawat pengaduk pengenap 16 stage, rase air [Th]= 274,44 g/l dan [U]=30,232 g/l, ekstraktant TBP yang diencerkan dengan n-dodekan, hingga [TBP] = 30%, rpm = 3000, a/o = 1/2,4 dad sebagai pencuci HNO3 = 0,01 N. Diperoleh larutan rase organik yang mengandung [Th] = 199,180 dad [V] = 28,850 g/l. Larutan rase organik ini kemudian digunakan sebagai bahan untuk penelitian stripping dengan pesawat pengaduk pengenap satu stage dengan tujuan: (1) menentukan keasaman stripper yang paling optimal Pacta percobaari~(2) dan (3) tersebut diteliti faktor pembentuk krad MBPIDBP, zirkonium dad unsur torium sendiri. Hasil percobaan (1) disajikan pacta Tabel 2 Dari hasil percobaan (1) yang disajikan pada Tabel 2, maka proses stripping akan mencapai optimum pacta keasaman 0,5N, dengan kandungan torium pacta larutan rase air g/l, sedang uranium tidak terdeteksi (kecil sekali), sehingga dapat dikatakan proses pemisahan torium dad uranium sempuma. Untuk melihat pengaruh pengotor MBPIDBP (dan zirkonium) dalam stripping, maka pada kondisi optimal stripping diatas dilakukan percobaan (2-). Hasil percobaan disajikan pada Tabel3. Dari Tabel 3 diatas, maka pada penambahan MBPIDBP 1,3 dad 5 ml dad pengadukan selama 60 menit, krad belum terbentuk. lni. berarti bahwa jumlah MBPIDBp. yang diperlukan untuk reaksi pembentukan krad Th(DBP)4 dad atau ZrO(DBPh belum cukup. Hal ini dapat dicermati dari reaksi stoikhiometri pembentukan krad (1) dan (2). Sebaliknya pada ~nambahan MBPIDBP = 7 ml, pembentukan krad cukup cepat karena pada men it ke 14 (pengadukan dilakukan selama 60 menit), krad sudah terbentuk. Percobaan lebih lanjut digunakan MBPIDBP 10 mvmenit. Tabel 1. Stripping uranium dengan pesawat pengaduk pengenap satu stage,~ [VJ = 181,450 glliter, alo = III, laju alir MBPIDBP 10 m//jam, konsentrasi akhir MBPIDBP 11,3 gll don zirkonium 10 ppm, rpm=1800, waktu operasi 60 menit No Keasaman (N) 0,01 0,1 0,5 1,0 Timbul krad pada menit ke Jumlah krad (gram) Tidak krad Keterangan terbentuk Prosldlng Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

5 ~ Busron Masduki, dkk. ISSN Prosldlng Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr Tabel2. Strippinglarutanfase organikkaya (torium+ uranium) = (199, ,85) gil, rpm = 1800, alo = 1/1. No Waktu Keasaman Keasaman Keasaman Keasaman Ket.- (menit) 1 N 0.5 N 0,1 N 0,01 N 1\.aaar Kadar Kadar Kadar gram/liter i!:ram/liter gram/liter I!ram/liter Th u 111 U Th u Th ,925 15,961 13,814 0,894 8,817 2, ,855 25,923 13,814 1,388 8,817 3, ,233 37,446 13,814 1,482 8,817 5, ,015 45,145 13,814 2,082 8,817 5, ,030 49,844 13,814 2,082 8,817 5, ,331 50,816 13,814 2,776 8,817 6, ,496 51,970 13,814 4,165 8,817 6, ,496 52,557 13,814 4,165 8,817 7, ,496 52,557 13,814 4,165 8,817 7,735 Tabel 3. Pengaruh penambahan MBPIDBP pada pembentukan krad, pada larotan Jase organ;k [Th+U] = (199, ,85) gil, alo = I, rpm = z;rkon;um 10 ppm. Tabel 4. Pengaruh keasaman stripper pada pembentukan krad; pada /arutan Jase organik[th + Vi = (199, ,85) gl/. alo = 1, rpm = 1800, zirkonium = 10 ppm, /aju a/ir MBPIDBP = 10 m//jam Pada perubahan keasaman stripper, pembentukan krad mengalami perubahan. Pengamatan pada percobaan (3) disajikan pada Tabel4. Data hasil percobaan menunjukkan pembentukan krad relatif cepat dad dalam jumlah yang besar pada keasaman stripper O,lN, tetapi pembentukan krad tersebut makin cepat pada keasaman O,5N dengan berat krad relatif kecil dibandingkan pada keasaman yang lebih rendah. Pada keasaman stripper yang lebih tinggi (IN), waktu pembentukan krad lebih cepat, dan krad menyebar keseluruh larutan sehingga menjadi larutan keruh. Hal ini sangat mengganggu proses stripping karena menutup (blokade) proses perpindahan massa. Dengan demikian keasaman stripper yang optimum adalah O,5N. Hasil yang diperoleh sesuai dengan catatan peneliti pendahulu agar pengendalian pembentukan krad pada proses

6 ISSN Busron Masduki, dkk. stripping dijakukan dengan mengendalikan keasaman stripper'o). Keasaman stripper yang baik adalah 0,5 N. KESIMPULAN Uranium sebagai elemen individu dalam rase organik tidak menimbulkan krad. Pada zone stripping krad terbentuk clan sangat dipengaruhi oleh keasaman stripper. Proses stripping dalam pesawat pengaduk pengenap satu stage pada kondisi [Th] = 199,18 gll, [U] = 28,85 gil, rpm = 1800, a/o =1, dengan stripper asam nitrat, keasaman stripper yang terbaik = 0,5N. Pada keasaman stripper = 0,5N pembentukan krad pada zone stripping dikendalikan. DAFfAR PUSTAKA dapat I. CLUTHBERT, F.L. "Thorium Production Technology" Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Massuchusetts, USA, (1958). 2. LUNG, M., "Prospectives of the Thorium Fuel Cycle", SeminaratJRC Ispra, 2nd July, (1996). 3. HONG, L.P, "Design Procedures of Small Pebble Bed HTGR for Electric Generation in Isolated Island", Seminar dan Lokakarya Ke-3 Teknologi dan Aplikasi Reaktor Tempera~r Tinggi, Jakarta, (1996). 4. RAINEY, R.H, MOORE, J.G., "Laboratory Development of the Acid Thorex Process for Recovery of Thorium Reactor Fuel", Nuclear Science and Engineering, 10, ,(1961). 5. DIDIEK HERHADY, R., MASDUKI, B., SIGIT, "Tinjauan Proses Pemungutan Bahan Bakar dari Elemen Bakar Bekas Reaktor Temperatur Tinggi", Prosiding Seminar ke-4 Reaktor Temperatur Tinggi dan Teknologi Nuklir, Jakarta, Pebruari, (1999). 6. ZIMMER, E, BORCHARD, T, PRINTZ, G, "Crud Formation in the Purex and Thorex Process", Institut fur Chemische Technologie der Nuklearen Entsorgung, der KFA Julich, W. Germany 7. BENEDICT, M, PIGFORD, T.H., "Nuclear Chemical Engineering", McGraw Hill Book Co., New York, (1981). 8. OSIPOW, L.I., "Surface Chemistry", Reinhold Publishing Corporation, New York, Chapman & Hall, Ltd, London. 9. MASDUKI, B., MASHUDI, HERHADY, D.R., SUSIANTINI E., "Studi Pemben-tukan krad ekstraksi U- Th Dalam Satu Stage Pesawat Pengaduk Pengenap", Prosiding Pertemuan clan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar clan Ilmu Pengetahuan clan Teknologi., Nuklir, Yogyakarta, Juli, (2000). 10. ZIMMER, Eo, GANGULY, C., "Reprocessing and Refabrication of Thorium Based Fuel", KFA, Julich, Jerman, (1987). TANYAJAWAB Moch. Setiadji -Penelitian pembentukan krad, mengapa dalam penelitian tidak ditambahkan unsur-unsur pembentukrad. -Keasaman ~pper terbaik 0,5 N. Saya kira pada keasaman tersebut sudah cukup banyak uranium yang masuk fase air, apakah hal ini sudah diperhitungkan (analisis U pada fa). Busron Masduki -Sesuai metodelogi penelitian yang.. dijelaskan pada percobaan pembentukan ditambahkan agent pembentukan krad DBP. Th. Cr. -Pada Tabel2 ditunjukkan hasil stripping dengan analisis U don Th. Kadar Th don U di lase air sangat tergantung ala selain keasamannya. Dwi Byantoro -Untuk uranium sebagai elemen individual dalam phase organik tidak menimbulkan krad. Bagaimana jika dicoba untuk individual torium, apakah juga tidak timbul krad. Untuk menghindari terjadinya krad, ada kemungkinan bisa dicoba dengan proses membran emulsi, proses ekscruber sekaligus stripping dalam satu siklus. Busron Masduki -Bila ado DBP, ado agent pembentuk krad Th atau Zr pada keasamanl kondisi tertentu, tetapi membentuk krad Th (DBP) 4, ZrO(DBP) 2. dengan alat apapun, hila ado agent pembentuk krad tersebut pasti terbentuk krad sesuai dengan jumlah agent pembentu krad yang ado. -Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7-8 Agustus 2001