ANALISIS UNSUR-UNSUR PENGOTOR DALAM YELLOW CAKE DARI LIMBAH PUPUK FOSFAT SECARA SPEKTROMETRI SERAPAN ATOM

Transkripsi

1 ANALISIS UNSUR-UNSUR PENGOTOR DALAM YELLOW CAKE DARI LIMBAH PUPUK FOSFAT SECARA SPEKTROMETRI SERAPAN ATOM Asminar, Rahmiati Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN Kawasan Puspiptek Gd. 20 Serpong Tangerang Banten untuk korespondensi: ABSTRAK ANALISIS KANDUNGAN UNSUR-UNSUR PENGOTOR DALAM YELLOW CAKE DARI LIMBAH PUPUK FOSFAT (YCf) SECARA SPEKTROMETRI SERAPAN ATOM PENYIAPAN. Telah dilakukan analisis pengotor dalam larutan hasil proses pelarutan dan pemurnian yellow cake dari limbah pupuk fosfat menggunakan Spektrometri Serapan Atom (SSA). Tujuan dilakukan analisis pengotor dalam larutan ini adalah untuk mendapatkan uranium dioksida berderajat nuklir. Sampel yellow cake dianalisis dalam fasa air media asam nitrat. Uranium yang merupakan unsur mayor dalam larutan sampel harus dipisahkan terlebih dahulu dari unsur-unsur pengotor yang menyertainya. Pemisahan dilakukan metoda ekstraksi menggunakan Tri Butil Pospat Hexane (TBP-Hexane) sebagai ekstraktor. Dari hasil analisis diperoleh kandungan pengotor dalam yellow cake hasil pelarutan dan hasil pemurnian tidak melebihi dari spesifikasi yang telah ditetapkan, sehingga (YCf) ini layak digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan serbuk UO 2 yang akan diproses menjadi bahan bakar reaktor daya. Selanjutnya unsur pengotor yang berada dalam fasa air media asam nitrat dianalisis menggunakan SSA. Kata kunci : yellow cake, limbah pupuk fosfat, analisis, pengotor, ekstraksi ABSTRACT ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY ANALYSIS OF IMPURITAS IN YELLOWCAKE OBTAINED FROM PHOSPHATE FERTILIZER BYPRODUCT. An AAS analysis hod been conducted to determine impurities in yellowcake obtained from phosphate fertilizer byproduct. The analysis was done as a part of the process to product nuclear-grade uranium dioxide. The yellowcake sample was anlyzed in water phose in nitric acid. The uranium in the sample was separated using tributyl phosphate-hexane. Results showed that the levels of impurities in the yellowcake analyzed had not exceeded specification values of impurities, and therefore the yellowcake can be used as a feed to produce nuclear grade uranium dioxide powder. Keywords : yellow cake, phosphate, analysis, impurities, extraction PENDAHULUAN Dalam rangka pemenuhan kebutuhan energi dimasa yang akan datang, BATAN telah menyusun program jangka panjang yaitu pembangunan PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir) jenis reaktor PWR (Pressurized Water Reactor). Untuk maksud tersebut penguasaan teknologi pengolahan bahan bakar dan fabrikasi elemen bakar nuklir sangat diperlukan. Fasilitas Instalasi Elemen Bakar Nuklir yang ada di PTBN dapat digunakan untuk proses konversi dan fabrikasi bahan bakar untuk reaktor daya serta melakukan pengembangan teknologi fabrikasi elemen bakar nuklir. Dalam tulisan ini, kegiatan yang dilakukan adalah proses konversi Ada beberapa tahapan dalam proses konversi yaitu proses pelarutan, pemurnian yellow cake dan oksidasi reduksi. Yellow cake digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan UO 2 melalui proses konversi. Konversi yellow cake menjadi UO 2 Asminar, dkk 342 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

2 dilakukan melalui jalur pengendapan baik jalur Amonium diuranat (ADU) maupun Amonium karbonat (AUK). Sebelum yellow cake di proses menjadi UO 2 berderajat nuklir perlu dilakukan analisis unsure-unsur pengotor dalam bahan baku yellow cake, sebelum diolah menjadi UO 2. Kandungan unsur-unsur pengotor di dalam serbuk UO 2 berderajad nuklir yang dijinkan/sesuai spesifikasi sebagai bahan awal bahan bakar suatu reaktor daya dapat dilihat pada Tabel 1. [1] Unsur-unsur pengotor yang menyertai bahan nuklir antara lain unsur : Al, Cu, Cd, Fe, Mn, Mg, Co, Cr, Ni, Ca, dan Sn. Tabel 1. Spesifikasi kandungan unsur-unsur pengotor di dalam bahan baku Nuklir. [1] No. Unsur Kadar No Unsur Kadar 1. Fe F Ni Gd 0,5 3. Al Mg Ca Mn Cd 0,2 15. Mo Cl N Co Pb Cr Si Cu Sn Dy 0,15 20 V 100 Adanya unsur-unsur pengotor yang melebihi dari spesifikasi yang telah ditentukan dapat menurunkan kualitas bahan bakar nuklir tersebut. Sebagai contoh unsur Cd mempunyai tampang serap neutron yang tinggi, sehingga akan mengganggu operasi reaktor. Berkenaan sifat netronik tersebut maka kandungan unsur pengotor harus dibatasi jumlahnya dalam bahan bakar. Dengan demikian keberadaan unsur-unsur tersebut harus diperhatikan. Salah satu teknik untuk menentukan kandungan unsur pengotor tersebut adalah cara spektrometri serapan atom (SSA). SSA adalah suatu metode yang dapat digunakan untuk analisis unsur-unsur dalam suatu bahan berdasarkan penyerapan energi oleh atomatom yang berada pada tingkat dasar untuk mengeksitasi elektron terluar. Proses penyerapan energi terjadi pada panjang gelombang yang spesifik dan karakteristik untuk setiap unsur [2]. Prinsip utama dari metode SSA yaitu, bila larutan suatu senyawa tertentu dilewatkan ke dalam nyala, maka senyawa ini akan menguap lalu terurai menjadi uap-uap atom bebas (proses atomisasi). Uap-uap atom bebas tersebut akan menyerap energi radiasi yang berasal dari lampu katoda cekung pada panjang gelombang yang khas dan karakteristik untuk setiap unsur. Akibat dari proses penyerapan radiasi tersebut elektron dari atom-atom bebas tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. [2] Hubungan serapan konsentrasi atom dirumuskan dalam hukum Lambert Beer yaitu [2] : Log Io/It = A (1) A = am.b.c (2) I o = Intensitas mula-mula I t = Intensitas sinar yang diteruskan am = koefisien sinar yang diteruskan A = absorbansi b = panjang burner (medium yang dilewati radiasi resonansi) c = kepekatan atom-atom yang mengabsorbsi Nilai am dan b merupakan suatu yang tetap, maka serapan contoh dapat langsung dibandingkan serapan larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya membuat grafik antara konsentrasi dan absorbansi. Besarnya kandungan unsur dapat diketahui dari grafik hubungan antara konsentrasi unsur absorbansi yang di hasilkan oleh unsur tersebut menggunakan Persamaan linear (3) di bawah ini. y = ax + b (3) y = intensitas larutan a = slope y/x b = intercept x = konsentrasi Pembuatan kurva kalibrasi larutan standar dilakukan mengukur intensitas standar pada setiap konsentrasi yang berbeda dan besarnya tingkat ketelitian pengukuran yang lebih tinggi dapat dilihat dari nilai koefisien linier regresi yang mendekati 100 % atau 1. Kemudian menginterpolasikan absorbansi yang diperoleh dari pengukuran unsur logam dalam cuplikan dapat diketahui. Kadar dari masing-masing unsur pengotor dalam cuplikan dapat dihitung rumus sebagai berikut : Kadar unsur = A x V µg/g (4) B A = konsentrasi (hasil interpolasi dari kurva kalibrasi) V = Volume labu untuk pengenceran contoh (ml) B = Berat cuplikan (g) Asminar, dkk 343 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

3 TEORI ATAU METODE Bahan yang digunakan : Larutan standar buatan Merck dari unsurunsur Al, Ca, Cd, Cu, Cr, Co, Fe, Mg, Mn, Ni dan Sn, asam nitrat 6 M dan sebagai pelarut digunakan air bebas mineral, TBP-Heksan. Peralatan yang digunakan : Seperangkat alat spektrometer serapan Atom Agilent Technologies 240AA, corong pemisah, alat-alat gelas timbangan, pemanas listrik. Cara kerja : A. Preparasi larutan standar Larutan standar dibuat mengencerkan larutan standar induk 1000 ppm buatan Merck dari masing-masing unsur yang akan dianalisis. Volume pengenceran dihitung menggunakan rumus pengenceran V1.N1 = V2.N2. sehingga diperoleh konsentrasi larutan standart yang diinginkan, seperti pada Tabel 2 dibawah ini. Tabel 2. Konsentrasi larutan standar masingmasing unsur-unsur No. Unsur Konsentrasi larutan standar 1 Cd 0,250 0,5 1,0 2 Cu 0,5 1,0 2,0 3 Fe 0,2 0,4 0,8 4 Mg 0,4 0,8 1,6 5 Cr 0,1 0,2 0,4 6 Ca 0,25 0,5 1,0 7 Mn 0,5 1,0 2,0 8 Ni 1,5 3,0 6,0 9 Al Co 0,1 9,2 0,4 11 Sn B. Preparasi larutan contoh Dipipet sebanyak 50 ml larutan UN hasil pelarutan yellow cake dan 50 ml larutan UN hasil pemurnian yang mengandung U 5 gr/l, kemudian masing-masing larutan contoh diekstraksi 50 ml campuran TBP-Hexane selama 5 menit, kemudian di diamkan hingga fasa air dan fasa organik terpisah. Fase organik dipisahkan dari fase airnya, ekstraksi diulangi tiga kali. Fasa air hasil ekstraksi dari masing-masing larutan contoh siap dianalisis unsur pengotornya alat SSA. C. Preparasi larutan blanko Dipipet sebanyak 50 ml ABM dimasukkan ke dalam labu ektraksi kemudian diekstraksi 50 ml campuran TBP-Hexane selama 5 menit, kemudian di diamkan sampai fasa air dan fasa organik terpisah. Fase organik dipisahkan dari fase airnya, fasa air hasil ekstraksi dianalisis alat SSA. D. Pengukuran absorbansi larutan standar dan larutan contoh Pengukuran absorbansi larutan stándar dan larutan contoh hasil pelarutan dan hasil pemurnian dilakukan mengukur absorbansi masing-masing larutan. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil analisis menggunakan alat SSA diperoleh data absorbansi untuk masing-masing konsentrasi unsur dalam larutan standar seperti terlihat pada Tabel 3. Tabel 3. Data hasil pengukuran absorbansi unsur dalam larutan standar No Unsur Konsentrasi dan Absorbansi Absorban sampel YC plrtn pemurnian 1 Cd Konsentrasi 0,250 0,5 1,0 Absorbansi 0,1303 0,225 0,4079 0,0012 ttd 2 Cu Konsentrasi 0,5 1,0 2,0 Absorbansi 0,0899 0,1855 0,3583 0,0145 0, Fe Konsentrasi 0,2 0,4 0,8 Absorbansi 0,0102 0,0298 0,0731 1,1176 ttd 4 Mg Konsentrasi 0,4 0,8 1,6 Absorbansi 0,1785 0,2694 0,4361 0,3192 0, Cr Konsentrasi 0,1 0,2 0,4 Absorbansi 0,0074 0,0143 0,0287 0,0215 ttd 6 Ca Konsentrasi 0,25 0,5 1,0 Absorbansi 0,0264 0,0429 0,0742 0,0294 0,

4 No Unsur Konsentrasi dan Absorbansi Absorban sampel YC plrtn pemurnian 7 Mn Konsentrasi 0,5 1,0 2,0 Absorbansi 0,0999 0,3098 0,3832 0,0044 ttd 8 Ni Konsentrasi 1,5 3,0 6,0 Absorbansi 0,17 0,3359 0,6209 0,0016 ttd 9 Al Konsentrasi Absorbansi 0,0326 0,0644 0,1211 0,0035 0, Co Konsentrasi 0,1 9,2 0,4 Absorbansi 0,0111 0,0235 0,0474 ttd ttd 11 Sn Konsentrasi Absorbansi 0,0484 0,0970 0,1868 0,0002 0,0002 Selanjutnya dari data Tabel 3 dibuat kurva kalibrasi dari masing-masing unsur. untuk menghitung kandungan unsur-unsur pengotor dalam sampel. Contoh kurva kalibrasi yang diperoleh dari unsur pengotor Al, ditunjukan dalam Gambar 1. Tabel 4. Hasil analisis unsur pengotor dalam yellow cake hasil pelarutan dan pemurnian No Unsur Hasil analisis Spesifikasi YC YC pelarutan pemurnian 1 Cd 0,002 ttd 0,2 2 Cu 0,046 0, Fe 12,2309 ttd Mg 0,8193 1, Cr 0,305 ttd Ca 7,725 2, Mn 0,022 ttd 10 8 Ni 0,0354 ttd 30 9 Al 2,170 0, Co ttd ttd Sn 0,081 0, Gambar 1. Grafik hubungan konsentrasi vs Absorbansi unsur Al Pada pembuatan kurva kalibrasi diperoleh hubungan yang linear antara konsentrasi dan absorbansi, hal ini ditunjukan nilai koefisien korelasi yang mendekati 1 yaitu 0,9996. koefisien yang mendekati 1 menunjukan pengujian pengukuran yang sangat kecil sehingga perhitungan kandungan sampel cukup akurat dan mendekati nilai benar. Selanjutnya menginterpolasikan absorbansi sampel hasil pelarutan dan hasil pemurnian ke dalam kurva kalibrasi hubungan antara konsentrasi larutan standar terhadap absorbansi dari larutan contoh, dapat diketahui menggunakan Persamaan (3) dan (4). Hasil perolehan kandungan unsur pengotor dalam sampel UO 2 setelah pelarutan dan pemurnian di tunjukan dalam Tabel 4. Dari Tabel 4 tersebut yang memuat hasil analisis dan unsur pengotor. Sebagian besar unsur pengotor setelah pemurnian lebih kecil dari hasil pelarutan, namun untuk unsur Mg dan Cu lebih besar setelah pemurnian namun tidak melebihi dari spesifikasi yang di persyaratkan. Akan tetapi dari semua sampel yang diuji telah memenuhi persyartan sesuai spesifikasi yang dipersyaratkan untuk dibuat sebagai umpan untuk bahan bakar nuklir. KESIMPULAN Hasil analisis kandungan unsur pengotor dalam yellow cake dari limbah pupuk fosfat hasil pelarutan dan pemurnian jauh berada jauh dibawah spesifikasi yang dipersyaratkan sedangkan untuk unsur Co tidak terdeteksi, sehingga UO 2 dari yellow cake hasil limbah pupuk fosfat ini layak digunakan untuk bahan baku dalam memproduksi uranium dioksida sebagai bahan bakar nuklir. Asminar, dkk 345 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

5 DAFTAR PUSTAKA 1. Heru Sasongko, (1987), Petunjuk Pelaksanaan kendali Mutu Laboratorium Fabrikasi Bahan Bakar, Elemen Bakar eksperimental, PEBN, PIN-BATAN, Serpong. 2. Asminar, Torowati, (2007), Analisis Pengotor Hasil Pelarutan Gagalan Pelat Elemen Bakar U 3 Si 2 -Al, Prosiding Seminar Pengelolaan Perangkat Nuklir PTBN-Batan, ISSN , Serpong. 3. Anonim, Manual Operasi, Agilent Technology 240AA. 4. Sigit, Laporan Teknis, (2006), Kajian Pembuatan Bahan Bakar DUPIC, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, Serpong. Asminar, dkk 346 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN