MIGRASI RADIONUKLIDA DALAM BUFFER MATERIAL PADA SISTEM PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF: SORPSI KOBALT PADA Na-BENTONIT

Transkripsi

1 MIGRASI RADIONUKLIDA DALAM BUFFER MATERIAL PADA SISTEM PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF: SORPSI KOBALT PADA Na-BENTONIT Pratomo Budiman Sastrowardoyo Pusat Teknologi Limbah Radioaktif ABSTRAK Migrasi Radionuklida dalam Buffer Material pada Sistem Penyimpanan Limbah Radioaktif: Sorpsi Kobalt dalam Na-Bentonit. Penelitian tentang interaksi Co dengan Nabentonit, sebagai calon bahan buffer pada sistem penyimpanan limbah radioaktif telah dikalukan. Kobalt digunakan dalam penelitian ini, karena keberadaan salah satu radionuklidanya, 60 Co, yang menonjol dalam limbah adioaktivitas rendah dan sedang. Metode catu dengan pengocokan diadopsi untuk mempelajari isoterm sorpsi dan pengaruh karbonat terhadap sorpsi. Dalam media sederhana, aquades, sorpsi Co terjadi dengan afinitas yang besar. Isotherm sorpsi Freundlich diperlihatkan untuk rentang konsentrasi Co rendah, dengan koefisien distribusi dan kapasitas sorpsi yang tinggi. Kenaikan sorpsi secara drastis diindikasikan oleh adanya gejala presipitasi Co(OH) 2(s) pada konsentrasi Co yang lebih tinggi dalam larutan. Adanya karbonat dalam fasa larutan meningkatkan koefisien distribution, yang juga disumbangkan oleh adanya gejala presipitasi CoCO 3 (s). ABSTRACT Radionuclides Migration in the Buffer Material of Radioactive Waste Disposal System: Sorption of Cobalt in Na-Bentonite. The study on interaction of Co radionuclides with Na-bentonite, as candidate for buffer material in the radioactive waste disposal system, has been performed. Cobalt was used for this study, because the presence of its radionuclide, 60 Co, in the low and intermediate waste. Batch experiment was adopted to study sorption isotherm and influence of carbonate. In a simple media, pure water, cobalt was retained with a high affinity. Freundlich sorption isotherm for low concentration range was shown, with high coefficient distribution and sorption capacities. The fast increasing of sorption was indicated by the occurrence of Co(OH) 2(s) precipitation for higher Co concentration in solution phase. The presence of carbonate in aqueous phase increased the distribution coefficient, which is also contributed by the occurrence of CoCO 3 (s) precipitation. PENDAHULUAN Telah disepakati di banyak negara, bahwa bentonit dipertimbangkan sebagai calon buffer material dalam sistem penyimpanan limbah radioaktif. Hal ini terutama karena konduktivitas hidraulik yang rendah serta faktor retardasi yang tinggi terhadap pelepasan radionuklida dari fasilitas sistem penyimpanan limbah radioaktif [1,2]. Rendahnya konduktivitas hidraulik bentonit berfungsi untuk menghambat intrusi air tanah ke fasilitas penyimpanan, yang karenanya akan menunda korosi wadah limbah. Kemampuan tersebut diperkirakan menurun sedikitnya setelah beberapa ratus tahun. Setelah itu fungsi isolasi bentonit terhadap pelepasan radionuklida akan menonjol, akibat terlarutnya limbah radioaktif ke badan air tanah. Sepanjang transportnya di dalam buffer material, radionuklida akan berinteraksi dengan mineral-mineral dalam

2 bahan tersebut, yang terutama berupa smektit. Seperti telah banyak dikenal, smektit merupakan mineral utama penyusun batuan bentonit. Interaksi tersebut dapat dideskripsikan dengan mekanisme sorpsi. Dalam hal ini, pengertian sorpsi ialah setiap proses fisika-kimia perpindahan masa dari fasa larutan ke fasa padatan, baik tak langsung (filtrasi molekuler, exklusi ion) maupun langsung: secara reversibel (adsorpsi fisik, pertukaran ion) atau ireversibel (mineralisasi, presipitasi) [3]. Sejumlah penelitian berkaitan dengan migrasi radionuklida dalam bentonit telah banyak dilakukan, dan diterbitkan diberbagai media ilmiah. Namun pada penelitian-penelitian tersebut, lebih banyak digunakan jenis benonit Wyoming (USA), dan Kunigel V1 (Jepang) [4-10]. Sedangkan penggunaan bentonit asal Indonesia, yang memiliki potensi untuk digunakan dalam sistem penyimpanan limbah di Indonesia, masih sangat langka. Karena itu dalam penelitian ini digunakan bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta, yang merupakan jenis Ca-bentonit. Dalam makalah ini disajikan sorpsi Co pada Na-bentonit. Dalam penelitian ini Co digunakan sebagai unsur model. Di samping itu, salah satu radionuklida unsur tersebut, 60 Co, banyak digunakan dalam kegiatan aplikasi iptek nuklir di bidang kedokteran, industri dan riset. Radionuklida 60 Co terbentuk dari hasil aktivasi netron dalam reaktor, [11]. Limbah yang mengandung 60 Co, dari kegiatan tersebut di atas termasuk dalam kategori aktivitas rendah dengan waktu paruh sedang. Walaupun waktu-paruh 60 Co, rendah, pada kondisi awal memiliki tingkat radiasi tinggi. Karena itu, cukup layak untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja sistem penyimpanan limbah. Pengukuran-pengukuran sorpsi dimulai dengan kondisi larutan elementer, yaitu penggunaan media sederhana, air murni, untuk studi isoterm sorpsi. Selanjutnya untuk mengawali penggunaan air tanah dengan komposisi yang kompleks, penelitian dilanjutkan dengan studi pengaruh karbonat dalam larutan. Karbonat dipilih sebagai bahan pengompleks anorganik, yang terdapat dalam hampir semua jenis air tanah. Hasil dari penelitian ini diharapkan di introduksi ke dalam model migrasi radionuklida, untuk digunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineered barrier pada sistem penyimpanan limbah radioaktif. METODE Bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta, yang merupakan jenis Cabentotit, digunakan dalam penelitian ini. Komposisi kimia bentonit disajikan pada Tabel 1 [12]. Na-bentonit disiapkan dengan perlakuan fisika maupun kimia: pemanasan 82

3 dalam furnace pada 300 o C selama 2 jam; dilanjutkan perendaman Ca-bentonit dalam NaCl selama 24 jam, lalu pencucian dengan aquades hingga bebas khlorida, dan dikeringkan dalam oven pada 110 o C. Prosedur penyediaan Na-bentonit tersebut diadopsi dari pustaka [13]. Sebelum penggunaannya, bentonit dikeringkan pada 110 o C selama 24 jam. Bahan utama lain yang digunakan meliputi Co(NO 3 ) 2.6H 2 O, NaHCO 3, dan HNO 3 pekat. Larutan kobalt induk dibuat untuk memperoleh konsentrasi 0,1 N, sedangkan larutan induk karbonat (bikarbonat) dibuat untuk memperoleh konsentrasi 0,03 N. Peralatan utama yang digunankan meliputi alat spktrometer serapan atom (SSA), syringe micro-filter 0,45 µm, rollling shaker, serta botol-botol polietilena. Teknik pengocokan sederhana dilakukan, seperti telah banyak dipublikasi di berbagai penerbitan, [di antaranya ref. 14]. Masing-masing 0,1 g padatan Na-bentonit dikontakkan dengan 15 ml larutan mengandung Co 2+, dengan pengocokan dalam botol polietilena. Untuk percobaan isoterm sorpsi, Co 2+ digunakan dalam jumlah bervariasi hingga diperoleh konsentrasi 10 s/d 3000 ppm. Sementara itu pada percobaan pengaruh karbonat ditambahkan larutan NaHCO 3, pada konsentrasi Co ppm, hingga konsentrasi karbonat dalam larutan ialah 0 s/d 0,02 N. Pengocokan dilakukan dengan bantuan alat rollling shaker pada 276 rpm, selama 6 hari. Lalu pemisahan fasa padatan dan fasa cairan dilakukan dengan bantuan syringe micro-filter 0,45 µm. Ke dalam 10 ml filtrat, ditambahkan HNO 3 pekat, pengukuran konsentrasi dilaksanakan dengan bantuan SSA, pada panjang gelombang λ = 240,7 nm Kuantifikasi sorpsi dilakukan dengan pengukuran koefisien distribusi, Kd, yang didefinisikan sebagai ratio konsentrasi radionuklida pada padatan, [Co] s, dan dalam larutan pada kesetimbangan, [Co] l, [3]. [ Co] s [ Co] l Kd = (1) HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil percobaan isoterm sorpsi disajikan pada Gambar 1. Dalam suatu rentang konsentrasi Co dalam larutan, diperlihatkan bahwa konsentrasi Co terserap pada bentonit, naik secara progresif sebagai fungsi konsentrasi dalam larutan, hingga dicapai suatu nilai maksimum. Nilai tersebut diadopsi sebagai suatu kapasitas serap, C a, dan diperoleh C a = 0.72 eq/kg. Penyajian dalam bentuk log, pada Gambar 2, pada rentang konsentrasi Co rendah diperlihatkan bentuk linier pada kurva, diikuti kenaikan 83

4 nilai sorpsi yang naik drastis. Pada daerah kurva linier, dapat diintepretasikan bahwa isoterm sorpsi mengikuti suatu aturan Freundlich. Hal tersebut mengindikasikan bahwa afinitas sorpsi Co pada bentonit terjadi pada site sorpsi serbaneka [15]. Dalam hal ini proses sorpsi terjadi secara penukaran ion, antara ion-ion exchangeable pada smektit dengan ion-ion Co dalam laturan. Interpretasi lebih lanjut, keberadaan bentonit sebagai bahan penyangga dalam suspensi, ph larutan dapat berkisar antara 6 hingga 11 [2]. Walaupun studi spesiasi belum dilakukan selengkapnya, namun dapat diduga bahwa sorpsi terjadi melalui pembentukan spesi-spesi Co 2+, CoOH +, Co(OH) 0-2 dan Co(OH) 3 [16]. Keberadaan spesi-spesi tersebut berurut sesuai dengan kenaikan ph. Pada konsentrasi Co lebih tinggi, hasil kali kelarutan untuk terbentuknya endapan Co(OH) 2(s) dapat dilampaui. Karena itu layak diduga bahwa kenaikan drastis sorpsi Co pada bentonit, dapat disumbang oleh adanya gejala presipitasi Co(OH) 2(s), (log K sp = -10,5) [16]. Dengan demikian, bila dikaitkan dengan aspek penyimpanan limbah, gejala presipitasi tersebut sangat favourable bagi penghambatan migrasi radionuklida Co. Pada kondisi konsentrasi Co rendah lebih dominan terjadinya gejala sorpsi Freundlich. Secara matematis aturan Freundlich dapat ditulis sebagai [15]: [ ] C.( K. [ Co] ) n Co = (2) s atau dalam bentuk logaritmik : a l [ Co] s log C + n.log K n.log[ Co] l log = + (3) a dalam kaitan ini C a dan K masing-masing ialah kapasitas sorpsi dan kesetimbangan sorpsi. Dari pengukuran kemiringan diperoleh n = 0,40, dan dari penentuan intercept pada sumbu asal, serta menggunakan nilai C a di atas, diperoleh tetapan kesetimbangan K = 0,27. Selanjutnya, dari perhitungan menggunakan persamaan (3), untuk konsentrasi Co dalam larutan rendah [Co] l = 10-6 ek/l, diperoleh suatu koefisien distribusi K d = 1,12 x 10 4 l/kg. Harga-harga tersebut merupakan konstanta empiris, karena mekanisme sorpsi kemungkinan terjadi secara pertukaran ion antara ion Co dalam larutan dan ion-ion exchangeable pada bentonit. Model pertukaran ion dapat diilustrasikan seperti disajikan pada Gambar 3. Model tersebut telah banyak dibicarakan di berbagai media ilmiah, (salah satunya dalam ref [8]). Hasil percobaan pengaruh karbonat disajikan pada Gambar 4. Pada gambar tersebut diperlihatkan adanya kenaikan secara progresif nilai koefisien distrubusi, Kd, sebagai fungsi konsentrasi karbonat [HCO - 3 ] dalam larutan. Penjelasan yang dapat diajukan kaitannya dengan kenakian koefisien distribusi tersebut ialah adanya 84

5 sumbangan gejala presipitasi CoCO 3(s), (log K sp = -10,0) [15]. Dalam pustaka tidak ditemukan adanya kompleks antara Co dengan karbonat, selain terbentuknya spesi terlarut dalam air CoCO 0 3. Namun dari gejala kenaikan nilai koefisien distribusi dapat dijelaskan bahwa preseipitasi CoCO 3(s) lebih dominant dibandingkan pembentukan CoCO 0 3. Dari fakta tersebut dapat dinyatakan bahwa adanya karbonat dalam larutan dapat meningkatkan sorpsi, yang merupakan faktor favourable tambahan untuk retensi migrasi radionuklida. Sementara itu telah banyak diketahui bahwa karbonat dapat ditemukan di hampir sumua air tanah, pada konsentrasi 10-2 s/d 10-1 N [2]. KESIMPULAN Sorpsi Co pada bentonit memperlihatkan afinitas yang besar: kapasitas sorpsi dan koefisien distribusi yang tinggi: C a = 0.72 eq/kg dan K d = 1,12 x 10 4 l/kg, yang merupakan faktor favourable bagi retensi migrasi radionuklida Co dalam sistem engineered barrier. Adanya karbonat dalam fasa larutan, untuk simulasi kondisi air tanah, memberikan kenaikan koefisien ditribusi. Hal ini akan merupakan faktor favourable tambahan. Dengan metode pengocokan sederhana, telah diperoleh data baru dan penting tentang sorpsi pada buffer material, yang dapat disumbangkan untuk pengayaan bank data tentang perilaku radionuklida dalam engineered barrier. DAFTAR PUSTAKA 1. Push, R.,: Use of Clays as Buffer in Radioactive Repository, Lulea University, Lulea Swedia (1983). 2. PNC: Research and Development on Geological Disposal of High-Level Radioactive Waste, PNC-TN , PNC Technical Report, Tokyo (1993). 3. McKinley, I.G., Hadermann, J.,: Radionuclide sorption data base for Swiss safety assesement, NAGRA-CEDRA, TR 84-40, Wurenlingen-Switcherland (1985). 4. Tsukamoto, M., Fujita, T., Ohe, T.,: Surface Complexation Modeling for Desorption of Actinide Sorption at the Buffer Material/ Water Interface, J. Nucl. Mat. 248, 333 (1997). 5. Hsu, C.N., Chang, K.P.,: Sorption and Desorption Behavior of Cesium on Soil Components, Appl. Radiat Isotop 45 (4), 433 (1994). 6. Oscarson, D.W., Hume, H.B., King, F.,: Sorption of Cesium on Compacted Bentonite, Clays Clay Mineral 42, 731 (1994). 7. Ohnuki, T., Kozai, N.,: Sorption Characteristic of Radioactive Cesium and Strontium on Smectite, Radiochim. Acta 66/67, 327 (1994). 8. Shibutani, T., Yui, M., Yoshikawa, H.,: Sorption Mechanism of Pu, Am and Se on Sodium-Bentonite, in Proceed 17 th Symp. on the Scientific Basis for Nuclear Waste Management (A. Barkett and R.A. Van Konyenburg eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh, Pensylvania (1994),

6 9. Kozai, N., Ohnuki, T., Muraoka, S.,: Sorption Behavior of Neptunium on Bentonite Effect of Calcium ion on the Sorption, in Proceed 17 th Symp. on the Scientific Basis for Nuclear Waste Management (A. Barkett and R.A. Van Konyenburg eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh, Pensylvania (1994), Sato, H., Ashida, T., Kohara, Y., Yui, M.: Study of Ratardation Mechanism of 3 H, 99 Tc, 137 Cs, 237 Np and 241 Am in Compacted Bentonit, in Proceed 16 th Symp. on the Scientific Basis for Nuclear Waste Management, (C.G. Interrante and R.T. Pabalan eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh, Pensylvania (1993), Benedict, M., Pigford, T.H., Levi, H.W.,: Nuclear Chemical Engineering, 2 nd Ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1981s 12. Brosur PT Anindya Yogyakarta 13. Lumingkewas, S.,: Konversi bentonit-ca menjadi bentonit-na melalui teknik pertukaran ion, Thesis FMIPA UGM (S2), Yogyakarta (1996). 14. Mecherri, M.O., Budiman Sastrowardoyo, P., Rouchaud, J.C., Fedoroff, M.,: Study of Neodymium Sorption on Orthose and Calcite for Radionuclide Migration Modelling in Groundwater, Radiochim.Acta 50,169 (1990). 15. Trapnell, B.M.W.,: Chemisorption, Butterworths Scientific Publ.(1955). 16. Stumm, W., Morgan, J.J.,: Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Water, John Wiley & Sons, Inc, New York (1996). 17. Ohtsuka, Y., Takebe, S., Yamamoto, T., Wadachi, Y.,: Migration Behavior of Radionuclides ( 60 Co, 85 Sr and 137 Cs) in Aquifer, J. Nucl. Separ. Technol. 25 (2), 165 (1988). 18. Ogawa, H.,: Kinetic Study on Migration of Non-Cationic Species of 60 Co through Sandy Soil Layer, J. Nucl. Separ. Technol. 26 (5), 165 (1989). 19. Park, C.K., Woo, S.I., Tanaka, T., Kamiyama, H.,: Sorption and Desorption Behavior of 60 Co, 85 Sr and 137 Cs in a Porous Tuff, Mechanisms and Kinetics, J. Nucl. Separ. Technol. 29 (12), 1184 (1992). 20. Ohnuki, T., Migration Characteristics of Cobalt-60 through Sandy Soil in High ph Solution, J. Nucl. Separ. Technol. 29 (10), 996 (1992). 21. Wenming, D., Xiangke, W., Yi, S., Xudong, Z., Zuyi, T.,: Sorption of Radiocobalt on Bentontie and Kaolinite, J. Radioanal. Nucl. Chem. 245 (2), 431 (2000). 22. Shawan, T., Erten, H.N., Sorption studies of Cs +, Ba 2+, and Co 2+ ions on Bentonite using Radiotracer, ToF-SIMS, and XRD techniques, Radiochim Acta 89, 799 (2001). 23. Moreira, M., Ericksen, T., Diffusion of 22 Na +, 85 Sr 2+, 134 Cs + and 57 Co 2+ in Bentonite Clay Compacted to different densities: Experiments and Modeling, Radiochim Acta 89, 753 (2002). 24. Brabdbury, M., Baeyens, B.,: Near Field Sorption Data Bases for Compacted MX- 80 Bentonite for Performance Assessement of a High-Level Radioactive Waste Repository in Opalinus Clay Host Rock, PSI Bericht 03-07, PSI Technical Report (2003): 25. Budiman Sastrowarodyo, P., Wati, Suganda, D.,: Difusi Kobalt dalam Na-Bentonit dan Ca-Bentonit, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, P3TM BATAN,197 (2003) 86

7 26. Sumantri, T., Rahmawati, M., Sucipta, Budiman Sastrowarodyo, P., Sorpsi Kobalt pada Tufaan dari Calon Tapak Penyimpanan Limbah di Lemahabang Semenanjung Muria, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, P3TM BATAN, 332 (2003). 27. Krupka, K.M., Serne, R.J.,: Geochemical Factor Affecting the Behavior of Antimony, Cobalt, Europium, Technetium, and Uranium in Vadose Sediments, PPNL-14126, PPNL, Richland, Washington (2002). 87

8 Tabel 1. Komposisi kimia bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta [12]. No Parameter Komposisi Methods 1 SiO 2 84,79 Gravimetri 2 Al 2 O 3 undetecable SSA 3 Fe 2 O 3 undetecable SSA 4 CaO 3,22 kompleksometri 5 MgO 0,40 SSA 6 Free Acid 0,08 Titrimetri 7 ph (10% larutan) 6,5 Elekrometri 8 Loss on ignition 13,29 Gravimetri 1.00 Cap = 0.72 ek/kg 0.80 [Co 2+ ]s (ek/kg) E E E E-02 Co/Bentonit [Co 2+ ] l (ek/l) Gambar 1. Isoterm sorpsi Co pada Na-bentonit. 88

9 10 Y = 0,40 X + 0,49 [Co 2+ ]s (ek/kg) E E E E+00 Co/Bentonit [Co 2+ ] l (ek/l) Gambar 2. Isoterm sorpsi Co pada Na-bentonit, bentuk log Na + Co 2+ fasa padatan fasa larutan = O = OH = Al (Fe, Mg) = Si (Al) Gambar 3. Skema pertukaran ion, antara Co 2+ dalam lartuan dengan Na + pada smektit. 89

10 Kd (L/Kg) [HCO 3- ] (eq/l) Co/Bentonit Gambar 4. Pengaruh karbonat terhadap sorpsi Co pada Na-bentonit. 90