Heny Suseno Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif

Transkripsi

1 STUDI RADIOEKOLOGI 14 C DI PERAIRAN TELUK JAKARTA DAN SEMENANJUNG LEMAH ABANG Heny Suseno Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif ABSTRAK STUDI RADIOEKOLOGI 14 C DI PERAIRAN TELUK JAKARTA DAN SEMENANJUNG LEMAH ABANG. Telah dilakukan pengkajian absorsi CO 2 ke dalam air laut berdasarkan studi 14 C dan isotop stabil dalam air laut. Penelitian ini direncanakan menggunakan hasil pengukuran 14C dan isotop stabil terkait, akan tetapi karena keterbatasan kemampuan alat (preparasi dan limit deteksi pengukuran), maka dilakukan perhitungan menggunakan data sekunder. Penelitian ini bertujuan untuk menghitung absorsi CO 2 ke dalam air laut menggunakan berbagai pendekatan fisika kimia laut berbasis pada kajian radioisotop 14 C. Hasil penelitian menunjukkan kelarutan CO 2 dalam air laut sebesar 2,61 mol. L -1.atm -1 pada suhu 30 o C dan kecepatan perpindahaan CO 2 dalam air laut sebesar 0, ms -1. Fluks CO 2 yang masuk ke dalam permukaan laut perunit area adalah sebesar 0,726 mol.atm.m -2.s -1. Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan 5,14 X 10-3 [CO 2 ] s -1. ABSTRACT RADIOECOLOGYCAL STUDY 14 C AT JAKARTA AND LEMAH ABANG COASTAL. The assesment of CO 2 absorption to sea water that base on 14 C and stabile isotope study at sea water. Firstly, this research was planed by using measurement result of 14 C and related isotope but unperformance of equipment (such as: preparation and detection limit of instrument), this research was performanced by calculation that using of secondary datas. The research was purposed to calculated CO 2 absorption by using behavior of physical chemical of sea water that base on of 14 C. Result of this reseach was found that solubility of CO 2 at sea water was 2,61 mol. L -1.atm -1 at 30 o C. Tranfer velocity, flux and dehidration rate of CO 2 at sea water are 0, ms -1, 0,726 mol.atm.m -2.s -1 and 5,14 X 10-3 [CO 2 ] s -1. PENDAHULUAN Emisi gas karbon dioksida sangat berhubungan dengan tingkat pertumbuhan dan kegiatan ekonomi di suatu wilayah. Jakarta dan sekitarnya merupakan sentra kegiatan ekonomi di Indonesia sehingga emisi gas CO 2 dalam jumlah yang sangat besar memasuki atmosfer setiap harinya. Berdasarkan hukum keseimbangan alam gas CO 2 yang diemisikan dapat difiksasi oleh tumbuhan hijau untuk proses fotosintesis. Disis lain keberadaan tanaman hijau di Jakarta sangat sedikit sehingga laju fiksasi tersebut tidak seimbang dibandingkan dengan emisi gas CO 2 yang dihasilkan dari pembakaran bahan fosil. Sisa dari ketidakseimbangan tersebut akan memasuki atmosfer dan sebagian diantaranya akan masuk ke dalam laut melalui proses difusi. Proses penterapan ini sesuai dengan kemampuan laut berfungsi sebagai media pertukaran CO 2 dari udara. Gas CO 2 yang masuk kedalam perairan laut Jakarta tersebut memberikan kontribusi terhadap perubahan radioekologi lingkungan kelautan Teluk Jakarta. Hal ini berhubungan dengan CO 2 yang diserap oleh permukaan laut dalam berbagai bentuk isotop ( 12 C, 13 C dan 14 C). Karbon dioksida dengan

2 kandungan 14 C yang tertimbun didasar laut akan terbawa kembali kepermukaan melalui proses upwelling. Pengendapan karbon oleh organisme laut (karang/shell) yang merefleksikan aktivitas 14 C dan dapat digunakan sebagai penentuan umur air laut. Pengendapan karbon sebagai karbonat dalam keadaan setimbang dengan air laut merupakan indikator perubahan CO 2 didalam laut. Konsentrasi 14 C pada permukaan air bercampur dengan lapisan yang lebih dalam melalui gelombang dan proses pengendapan serta pelarutan kembali dari laut dalam. Penerimaan CO 2 oleh laut dapat dijelaskan oleh fisika sirkulasi laut dan kimia CaCO 3 dan CO 2. Secara kuantitatif CO 2 yang dilepaskan dari daratan akan diserap oleh permukaan laut yang disitilahkan sebagai invasi CO 2. Skala waktu invasi ditentukan oleh skla waktu sirkulasi laut dan kapasitas penyangga permukaan laut mengikuti kesetimbangan atmosfir dengan air. Karbon dioksida akan bereaksi dengan CaCO 3 yang disebut sebagai proses netralisasi. Terdapat dua proses netralisasi : (1) Transportasi CO 3 = dari CaCO 3 dari dasar laut (2) Ketidak setimbangan antara kecepatan pelarutan pada daratan dan akumulasi CaCO 3 pada dasar laut Pengukuran perubahan CO 2 dilaut dapat digunakan untuk memperkirakan penerimaan CO 2 dan dampaknya secara global. Laut merupakan reservoir panas, air dan CO 2 dan memberikan efek komplek pada musim. Keberhasilan penentuan kapasitas reservoir laut terhadap penyerapan CO 2 : (1) Dokumentasi perubahan konsentrasi karbon anorganik (DIC), ph, rasio 13 C/ 12 C dan nutrien untuk transisi masuknya CO 2 ke dalam laut (2) Membandingkan perubahan dengan model yang telah dikembangkan Monitoring kandungan CO 2 di dalam laut lebih sulit dibandingkan dengan di daratan. Jumlah 14 C dilaut sangat kecil dibandingkan dengan 12 C, dengan rasio 1 atom 14 C berbanding dengan... atom 12 C. Konsentrasi 14 C dalam air laut yang sangat kecil, akan memberikan kesulitan pengukuran karena berhubungan dengan limit deteksi alat. Perhitungan aliran CO 2 antara atmosfir dan laut sering dipertimbangkan beberapa problem untuk menghitung atau memprediksi konsentrasi CO 2 sepanjang interface udara-laut. Beberapa cara yang digunakan untuk memperkirakan aliran CO 2 yang didasarkan pada transportasi 14 C dan transisi tracer lainnya seperti rasio 12 C/ 13 C. Profil radiokarbon 14 C dan tracer transisi (antropogenik klorofluoro karbon, tritium dari percobaan bom) tidak hanya menjelasakan kecepatan pertukaran udara-laut tetapi percampuran antara lapisan-lapisan air di dalam laut dan proses uptake antropogenik CO

3 Metoda isotop karbon didasarkan pada kecenderungan uptake CO 2 sebagai karbon yang lebih ringan yaitu 12 C dilaukan oleh tanaman. Gas CO 2 yang dihasikan dari pembakaran bahan fosil selanjutnya dengan fraksi yang lebih besar ( 13 C) selanjutnya diserap oleh laut. Berdasarkan perbandingan 12 C/ 13 C dapat diketahui seberapa cepatnya 13 C dapat masuk ke dalam laut. Pada penelitian ini seharusnya dilakukan pengukuran 14 C dan isotopisotop karbon untuk mempelajari secara detail pengaruh emisi CO 2 di Jakarta terhadap radioekologi lingkunbgan kelautan Teluk Jakarta. Data tersebut dibandingkan dengan pengukuran di Semenanjung Muria Jawa Tengah. Namum demikian, mengingat keterbatasan dana sehingga proses pengadaan alat dan bahan sangat terbatas, maka pada lingkup laporan hasil penelitian ini hanya dibahas secara teoritis sehingga diperoleh estimasi pengaruh emisi gas CO 2 terhadap radioekologi dan lingkungan kelautan di Teluk Jakarta. SISTEM KIMIA KARBONAT DALAM AIR LAUT Gas CO 2 bereaksi dengan air membentuk asam karbonat. Karbonat kehilangan sebuah proton membentuk ion bikarbonat dan kehilangan satu proton lagin akan membentuk ion karbonat. Kesetimbangan thermodinamik proses pelarutan gas CO 2 ditunjukan pada persamaan berikut : CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 (1) H 2 CO 3 == HCO 3 - HCO 3 - === CO 3 2- K1 = 10-6 mol L -1. (2) + H + K2 = mol.l -1 (3) H 2 O === H + + OH - K w = mol.l -1 (4) Kuantitas karbonat diketahui sebagai alkalinitas. C alk = [HCO 3 - ] + 2 [CO 2 ] + [OH - ]- [H + ] (5) Pertukaran CO 2 antara laut dan udara adalah transfer karbon antara lapisan percampuran dan air dalam. Kecepatan transfer ditentukan oleh difusi molekular sepanjang lapisan tipis yang tidak berubah. Batas bagian bawah dari stagnan lapisan tipis ini memberikan cara pencampuran. Ukuran lapisan tipis dan difusi berhubungan dengan kecepatan perpindahan yang dirumuskan sebagai berikut : k w = D/Z (6) dimana : k w : kecepatan perpindahan (ms -1 ) D : difusi Z : ketebalan lapisan tipis (m) 197

4 Kecepatan perpindahaan CO 2 dalam air laut (k w )menurut Wesley (1982) seperti yang dikutip pada pustaka (1) adalah 500 cm perjam pada secepatan angin 8 cm per jam. Kelarutan (K o ) dan kelarutan tak berdimensi (α) dirumuskan sebagai berikut : K o = 100 α / RT (7) dimana : K o : kelarutan CO 2 dalam air laut (mol.kg -1.atm -1 ) α : dimensionless solubility (tidak ada satuan) R : Tetapan gas (Kg.m 2.s -2.K -1.mol -1 ) T : Suhu (K) Perhitungan kecepatan pertukaran CO 2 antara udara ke laut mengacu pada prinsip-prinsip : (1) Perbedaan tekanan parsial CO 2 antara udara dan bulk air ( pco 2 ) yang dipertimbangkan sebagai gaya dorong thermodinamik (2) Kecepatan pertukaran gas adalah kecepatan transfer yang merupakan parameter kinetik Flux perunit area dirumuskan sebagai Flux = k w. K o. pco 2 (8) dimana : pco 2 : Tekanan parsial CO 2 dalam air laut (tidak mempunyai satuan) Reaksi langsung CO 2 dengan ion hidroksil (OH - ) membentuk HCO 3 - lebih cepat dibandingkan reaksinya dengan H 2 O. Kecepatan reaksi direpresentasikan berdasarkan reaksi berikut : k CO2 CO 2 + H 2 O ==== H 2 CO 3 ==== HCO H + (9) k CO2 k OH CO 2 + OH - ==== HCO 3 - (10) k OH 198

5 Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan K total [CO 2 ] (11) K total = k CO2 + k OH [OH - ] (12) Harga k CO2 pada suhu 0 sampai dengan 30 o C adalah 0,002 sampai dengan 0,005 s -1 [2]. Harga k OH pada suhu 0 sampai dengan 30 o C adalah 850 sampai dengan 1400s -1 mol -1 [2]. PERHITUNGAN INVASI CO 2 KE DALAM PERMUKAAN LAUT Kecepatan perpindahan CO 2 antara laut dan udara dihitung menggunakan persamaan (6). Bolin (1960) seperti yang dikutip oleh pustaka (2), menggunakan pengukuran fluks 14 C antara udara dan laut untuk menghitung lapisan tipis stagnan dan diperoleh sebesar 35µm. Kelarutan CO 2 dalam air laut dihitung menggunakan persamaan (7). Menurut Weiss (1974) seperti yang dikutip oleh pustaka (2), nilai α pada suhu 30 o C sebesar 0,65. Penyesuaian satuan parameter-parameter pada persamaan (7) sebagai berikut : Konstanta gas (R) adalah 8,206 X 10-2 L.atm.K -1.mol -1 Suhu (T) 30 o C adalah 303K dan hasil perhitungan diperoleh nilai kelarutan CO 2 (K o ) dalam air laut sebesar 2,61 mol. L -1.atm -1. Kecepatan perpindahaan CO 2 dalam air laut (k w ) yang telah disesuaikan satuannya adalah sebesar 0, ms -1. Kecepatan pertukaran melibatkan difusi gas ke dalam air dan pengaruh proses fisik pada lapisan batas (boundary layer). Flux CO 2 yang masuk ke dalam laut perunit area dihitung menggunakan persamaan (8). Menurut Broecer (1974) seperti dikutip pada pustaka (2), nilai p CO 2 pada tahun 1970an adalah 330 dan saat ini umumnya adalah 200. Nilai kecepatan perpindahan CO 2 dan kelarutan CO 2 di dalam air laut masingmasing sebesar 0, ms -1 dan 2,61 mol. L -1.atm -1. Mengacu pada tekanan parsial CO 2 ( p CO 2 ) dalam air laut sebesar 200, maka fluks CO 2 yang masuk ke dalam permukaan laut perunit area menggunakan persamaan (8) adalah sebesar 0,726 mol.atm.m -2.s -1. Reaksi hidrasi air laut ditunjukkan pada persamaan berikut : H 2 O ==== H + + OH - (13) Nilai konstanta kesetimbangan hidrasi ditunjukkan pada persamaan berikut : K w = [H + ] [OH - ]/[H 2 O] = (14) 199

6 Mengacu pada persamaan (14), maka diperoleh nilai [OH] pada reaksi dehidrasi air laut sebesar = Menggunakan persamaan (10) k total pada 30 o C= {0, X 10-7 } = 5,14 X 10-3 s -1 Perhitungan kecepatan dehidrasi berdasarkan persamaan (11) Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan = 5,14 X 10-3 [CO 2 ] s -1. KESIMPULAN Kelarutan CO 2 dalam air laut sebesar 2,61 mol. L -1.atm -1 pada suhu 30 o C dan kecepatan perpindahaan CO 2 dalam air laut sebesar 0, ms -1. Fluks CO 2 yang masuk ke dalam permukaan laut perunit area adalah sebesar 0,726 mol.atm.m -2.s -1. Kecepatan reaksi dehidrasi keseluruhan = 5,14 X 10-3 [CO 2 ] s -1. DAFTAR PUSTAKA 1. Spennemann, H,R,D; et.al (1999) Reservoir Modification of 14-C Signature in Coastal Water of E. Australia: The State Play, Australian Ocean Reservoir Correction Research Project, Charles Sturt University, Australia. 2. Annom (2000), The Rate of Air-Sea CO 2 Exchange, 3. Archer, D., (1999), The Dinamic of Fossil Fuel CO 2 Netralization by Marine CaCO 3, Max Plank Institut Fuer Meteorologie, germany 4. Taft, B, et.al (1999) NOAA Ocean Carbon Dioxide and Tracer Program, An Integrated Approach to Decadal Ocean Climate Change Studies, Pacific Marine Environmental Laboratories, Seattle 200