KARAKTERISTIKA (K, a, Kd, K tot ) TANAH CALON PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF DI SEMENANJUNG MURIA

Transkripsi

1 Herry Poernomo, dkk. ISSN KARAKTERISTIKA (K, a, Kd, K tot ) TANAH CALON PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF DI SEMENANJUNG MURIA Herry Poernomo, Ngasifudin, Djoko Sardjono Puslitbang Teknologi Maju Batan ABSTRAK KARAKTERISTIKA (K, α, Kd, K tot ) TANAH CALON PENYIMPANAN LIMBAH RADIOAKTIF DI SEMENANJUNG MURIA. Telah dilakukan penentuan karakteristika tanah daerah Lemah Abang dan Genggrengan sebagai calon penyimpanan limbah radioaktif. Penelitian dilakukan secara percobaan kolom yang dilakukan dengan cara mengalirkan larutan pengemban Sr(NO 3 ) 2, M dan pencemar 9 Sr dengan aktivitas (C o ) = 87,4 Bq/cm 3 ke dalam kolom terisi sampel tanah. Konsentrasi 9 Sr dalam setiap cm 3 efluen (C t ) dianalisis dengan alat cacah beta Ortec, kemudian dibuat profil konsentrasi 9 Sr dalam efluen. Ditentukan permeabilitas (K), dispersivitas (α), koefisien distribusi (Kd) dan kapasitas pertukaran total ion 9 Sr (K tot ) dengan menggunakan data profil konsentrasi 9 Sr dalam efluen. Hasil peringkat penilaian terhadap karakteristika fisis (K), dispersi (α, Kd) dan sorpsi 9 Sr (K tot ) menunjukkan bahwa tanah pada daerah Lemah Abang mempunyai nilai total 23,5 yang lebih baik daripada tanah pada daerah Genggrengan dengan nilai total 96,5. Peringkat nilai karakteristika tanah yang terbaik pada daerah Lemah Abang dinyatakan dengan K = 8,34 x -5 cm/detik, α =,465 cm, Kd = 7,23 cm 3 /g dan K tot = 287,2 Bq/g. ABSTRACT CHARACTERISTIC (K, α, Kd, K tot ) OF RADIOACTIVE WASTE REPOSITORY SOIL CANDIDATE IN THE MURIA PENINSULA. Determination of characteristic on soils from Lemah Abang and Genggrengan area as repository candidate of radioactive waste has been done. The investigation was carried out by experimental column method, in which a. M strontium nitrate carrier solution and pollutant of 9 Sr with activity (C o ) = 87.4 Bq/cm 3 was flown through the column containing the soil sample. The concentration of 9 Sr in the effluent volume of cm 2 (C t ) was analyzed by Ortec beta counter, then was made concentration profile of 9 Sr in the effluent. Determination of permeability (K), dispersivity (α), distribution coefficient (Kd) and total exchange capacity (K tot ) by using data of the concentration profile of 9 Sr in the effluent. The scoring level result of the characteristics of physic, dispersion, sorption of 9 Sr (K, α, Kd, K tot ) showed that soils on the Lemah Abang area has total scoring of 23.5 is better than the soils on the Genggrengan area with total scoring of The best scoring level of soils characteristic on the Lemah Abang area which is expressed by values : K = 8.34 x -5 cm/second, α =.465 cm, Kd = 7.23 cm 3 /g and K tot = Bq/g. PENDAHULUAN P ada penyimpanan limbah radioaktif sistem tanah dangkal (shallow land burial ), maka radionuklida dari penghalang buatan (engineered barrier) dapat terlucut ke lingkungan tanah karena kemungkinan terjadi kerusakan pada penghalang buatan yang disebabkan oleh adanya aliran air tanah yang mendifusi ke penghalang buatan sehingga terjadi korosi pada wadah limbah. Untuk meminimalkan dispersi radionuklida ke lingkungan, maka tanah sebagai penghalang alami di sekeliling penghalang buatan harus mempunyai persyaratan teknis antara lain : mampu menahan laju alir air tanah dan mempunyai kapasitas pertukaran ion dan koefisien distribusi ion yang cukup besar. Penelitian pada tanah di kawasan Muria telah dilakukan di daerah Genggrengan dan Lemah Abang dengan batasan masalah pada karakteristika fisis (permeabilitas) dan karakteristika dispersi 9 Sr (, 2) (dispersivitas dan koefisien distribusi). Karakteristika tanah sebagai calon penyimpanan limbah radioaktif yang penting untuk diketahui dan belum pernah dilakukan adalah karakteristika sorpsi. Phenomena sorpsi pada tanah cukup kompleks yaitu meliputi beberapa peristiwa seperti difusi molekuler, pertukaran ion, penarikan muatan ion positif/negatif, adsorpsi, filtrasi, pengendapan yang semuanya terjadi secara simultan. Dengan demikian untuk mengetahui dan mengukur besaran dari peristiwa mana yang paling dominan dari phenomena sorpsi tersebut adalah sangat sulit. Besaran yang dapat ditentukan dan dianggap P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

2 2 ISSN Herry Poernomo, dkk mewakili phenomena sorpsi pada tanah adalah kapasitas pertukaran ion total (K tot ) yang selanjutnya merupakan besaran karakteristika sorpsi. ( 3 ) Dari hal tersebut, maka perlu dilakukan penelitian untuk memilih calon lokasi penyimpanan limbah radioaktif dari dua alternatif daerah yaitu Genggrengan dan Lemah Abang berdasarkan penilaian total dari karakteristika (fisis, dispersi, sorpsi). Radionuklida 9 Sr bisa berasal dari hasil pembelahan inti dari operasi reaktor nuklir, instalasi yang menggunakan zat radioaktif tersebut, jatuhan debu radioaktif, maupun percobaan ledakan senjata nuklir. Dari pengalaman menunjukkan bahwa setelah 9 Sr tertelan oleh mulut, maka kira -kira 25% 9 Sr akan diadsorpsi ke dalam extracellular fluid (setelah inhalasi kira-kira /3 diadsorpsi ke dalam extracellular fluid) dan kira-kira ½ dari jumlah ini terdeposit dalam tulang. (4) Unsur 9 Sr adalah merupakan radionuklida dengan tingkat radiotoksisitas tertinggi dibandingkan dengan radionuklida lainnya sehingga sering digunakan sebagai indikator adanya pelepasan radionuklida dari tempat penyimpanan limbah ke lingkungan dalam tanah. (5) TEORI Jika yang ditinjau adalah jumlah ion total yang diadsorpsi (dijerap) meliputi ion yang dipertukarkan, ion yang diserap oleh elektrolit, ion yang terendapkan, dan lain-lain, maka kapasitas pertukaran ion total (Ktot) yang dinyatakan dalam satuan miligram ekivalen ion yang terjerap/gram penjerap (me/g) dapat didefinisikan dengan persamaan sebagai berikut : (3) K tot = Kr + K ad () dengan K tot = kapasitas pertukaran total radionuklida, (me/g), K r = kapasitas pertukaran ion murni (me/g), K ad = kapasitas sorpsi (me/g). Kuantitas dari K r memberikan sejumlah ion (dalam meq) yang dapat dipertukarkan dari sejumlah ion penukar khusus. Menurut definisi, banyaknya K r ini adalah setelah perubahan yang teradsorpsi oleh air, g dalam bentuk H + untuk penukar kation dan g dalam bentuk Cl untuk penukar ion. Kondisi berat penukar ion dalam bentuk H dalam hal ini tidak dapat memenuhi, karena bentuk ini tidak stabil. Dalam hal ini kapasitas ditentukan dengan ion lain, seperti potassium (K + ). Kapasitas pertukaran ion total secara empiris dapat diselesaikan dengan bantuan profil konsentrasi ion seperti pada gambar dan beberapa persamaan empiris sebagai berikut : (3) w K v, tot.( + ) K tot = M d s (2) dengan K v,tot = kapasitas volum total (me/cm 3 unggun), w = berat air yang terkandung dalam penjerap (g), M = berat kering penjerap (g), d s = rapat massa curah penjerap (g/cm 3 ). Rapat massa curah penjerap ds ditentukan dengan menggunakan persamaan : d s = M + w v s Kapasitas volum total dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : Co.( Vb + Ve ) Kv, tot = 2. v s (3) (4) dengan C o = konsentrasi solute dalam umpan (g/cm 3 ),, V b = volum efluen pada saat breakthrough (cm 3 ), V e = volum efluen pada saat C t = C o (cm 3 ), v s = volum unggun penjerap dalam kolom (cm 3 ), C t = konsentrasi solute dalam efluen pada t menit (g/cm 3 ). Nilai Vb dan Ve ditentukan dari kurva breakthrough (profil konsentrasi solute dalam efluen) seperti ditunjukkan pada gambar V b <---- breakthrough V e Volum efluen, cm 3 Gambar. Kurva breakthrough ion Karakteristika dispersi dapat dinyatakan dengan dispersivitas (α) dan koefisien distribusi (Kd) dengan persamaan : á 2 3.L (t t ) e b = (5) 2 6.ð (t, 5 ) P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

3 Herry Poernomo, dkk. ISSN Q.t e.c Q.t.C t Q.t Kd = i. e Q.ti.Ct m dengan t,5 = waktu dalam menit pada saat =,5.Co, dan ti = waktu alir influen (menit). (6) Karakteristika fisis dapat dinyatakan oleh permeabilitas (K) dengan persamaan sebagai berikut : V. L K = t. A.( L + H ) dengan K = konduktivitas hidraulik atau permeabilitas (cm/detik), V = volum efluen selama t (cm 3 ), H = tinggi head akuades dalam kolom (cm), t = waktu alir sampai volum efluen V (detik), A = luas penampang lintang kolom tanah (cm 2 ), L = tinggi unggun tanah dalam kolom (cm). Berdasarkan teori dan latar belakang masalah, maka untuk menentukan kapasitas pertukaran ion total tanah sebagai penghalang alami dapat didekati dengan percobaan eksperimental. Percobaan dilakukan dalam kolom gelas terisi tanah sebagai penjerap dengan posisi unggun tanah tetap (fixed bed), aliran umpan sebagai simulasi aliran air tanah melewati unggun tanah secara gravitasi. TATA KERJA Bahan (7) Larutan simulasi limbah cair radioaktif 9 Sr dengan aktivitas 87,4 Bq/cm 3 dalam pengemban larutan Sr(NO3)2, M. Sampel tanah diambil dari daerah Lemah Abang dan Genggrengan hasil pengeboran yang dilakukan oleh New Jec dari kedalaman 25 s.d. 3 m. Alat Peralatan gelas, buret, kolom gelas, penggaris, statip, stopwatch, transpipet, lampu pengering, pengaduk listrik, pompa dosis, alat cacah β Ortec. Cara Kerja Penyusunan persamaan Ktot Percobaan dilakukan dengan kecepatan aliran laminer pada penjerap yang jenuh air, sehingga kecepatan aliran (Q) dalam unggun penjerap relatif tetap. Volum efluen dapat dinyatakan dengan Vb = Q. tb dan Ve = Q. te, maka : V b + V e = Q.( t b + t e ) (8) C t dengan t b = waktu alir sampai tercapai breakthrough (menit), t e = waktu alir pada saat tercapai kesetimbangan C t = C o (menit). Persamaan (8) disubstitusi ke dalam persamaan (4) sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut : + K v,tot = C. Q.( o t b t e ) 2. v s (9) Nilai t b dan t e ditentukan dari kurva breakthrough ion seperti pada gambar t b <---- breakthrough Waktu alir efluen, menit Gambar 2. Kurva breakthrough ion Kemudian persamaan (9) di substitusi ke dalam persamaan (2) diperoleh persamaan sebagai berikut : w Co. Q.( tb + t e ).( + ) K tot = M 2. d s. v s t e () Persamaan (3) disubstitusi ke dalam persamaan () sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut : M + w C o. Q.( t b + t e ).( ) K tot = M M + w 2.( ). v v s s + K tot = C o. Q.( t b t e ) 2. M () (2) Waktu breakthrough (t b ) dapat diprediksi setelah waktu tinggal influen dalam unggun (t r ) terlampaui. Nilai t r dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : t r = L. A.ε Q (3) dengan L = tinggi unggun penjerap dalam kolom (cm), d = diameter kolom bagian dalam (cm), A = luas penampang unggun penjerap dalam kolom (cm 2 ), ε = porositas unggun penjerap dalam kolom. Penjenuhan tanah dalam kolom P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

4 4 ISSN Herry Poernomo, dkk Air suling dialirkan dari buret ke dalam kolom berisi tanah secara gravitasi. Langkah di atas diteruskan sampai tanah dalam kolom jenuh dengan air, artinya tercapai suatu kondisi yaitu aliran air suling masuk kolom sama dengan aliran air suling keluar kolom. Penentuan profil konsentrasi 9 Sr dalam efluen Kolom gelas dengan diameter dalam =,53 cm diisi tanah sampai tinggi unggun dalam kolom = 5 cm. Simulasi limbah cair yang mengandung pengemban Sr(NO3)2 dengan konsentrasi, M dan dengan aktivitas 9 Sr = 87,4 Bq/cm 3 dialirkan ke dalam kolom secara gravitasi. Larutan yang keluar kolom (efluen) ditampung dengan gelas ukur setiap volum = cm 3, kemudian dipindahkan ke dalam vial yang telah diberi nomor urut. Larutan dalam vial dicuplik sebanyak, cm 3, dimasukkan ke dalam planset yang telah diberi nomor urut, kemudian dikeringkan menggunakan lampu pengering. Setelah kering masing-masing planset dianalisis dengan alat cacah beta Ortec untuk mengetahui konsentrasi 9 Sr dalam efluen. Langkah percobaan seperti di atas dilakukan dengan menggunakan sampel tanah dari Lemah Abang pada titik bor D7, D3. D44, D58, D6, D67, D75 dan dari Genggrengan pada titik bor G3, G5, G8, G9, G3, G4, G5. HASIL DAN PEMBAHASAN Profil konsentrasi 9 Sr setelah melewati unggun cuplikan tanah dalam dari daerah Lemah Abang disajikan pada gambar. Dengan bantuan data tb dan te pada Gambar dan persamaan (5, 6 dan 2) diperoleh α, Kd, dan Ktot tanah Genggrengan yang ditunjukkan pada Tabel. Profil konsentrasi 9 Sr setelah melewati unggun cuplikan tanah dalam kolom dari daerah Genggrengan disajikan pada gambar. Dengan bantuan data t b dan t e pada Gambar 2 dan persamaan (5, 6 dan 2) diperoleh, Kd, dan K tot tanah Genggrengan yang ditunjukkan pada Tabel 2. Untuk memilih daerah Lemah Abang dan Genggrengan dengan tinjauan terhadap karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi 9 Sr, maka dilakukan penilaian (scoring) terhadap (K, α, Kd, K tot ) dari dua daerah tersebut. Penentuan scoring dilakukan dengan menggabungkan data-data yang ada dalam Tabel dan 2, kemudian karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi (K, α, K tot, Kd) pada setiap titik bor dari sampel tanah yang berasal dari 4 tit k bor di dua lokasi yang berbeda diberi nilai sesuai peringkat nilai mulai dari s.d. 4. (6) Peringkat penilaian terhadap permeabilitas didasarkan pada kemampuan fisis tanah dalam kolom untuk ditembus oleh larutan (air), peringkat nilai terhadap perme abilitas besar bila nilai K semakin kecil. Peringkat penilaian terhadap dispersivitas didasarkan pada kemampuan fisis dan kimia tanah dalam kolom untuk mendispersikan ion 9 Sr, peringkat nilai terhadap dispersivitas besar bila nilai α semakin kecil. Peringkat penilaian terhadap koefisien distribusi didasarkan pada distribusi ion 9 Sr dalam tanah dan dalam larutan, peringkat koefisien distribusi besar bila distribusi ion dalam padatan lebih besar daripada dalam larutan yang dinyatakan dengan nilai Kd semakin besar. Sedangkan peringkat penilaian terhadap kapasitas pertukaran total didasarkan pada kemampuan tanah untuk menjerap 9 Sr baik secara pertukaran ion, pengendapan, filtrasi maupun sorpsi oleh elektrolit yang semuanya dapat dinyatakan dengan K tot, kapasitas pertukaran total mempunyai peringkat nilai besar bila K tot semakin besar. Hasil penilaian terhadap karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi (K, α, Kd, K tot ) ditunjukkan pada Tabel 3. Ditinjau dari contoh tanah pada setiap titik bor di dua daerah Lemah Abang dan Genggrengan, maka tanah dari titik bor D75 pada daerah Lemah Abang mempunyai peringkat karakteristika terbaik dengan nilai total 46 dengan data K = 8,34 x -5 cm/detik, α =,479, Kd = 7,23 cm 3 /g dan Ktot = 865,2 Bq/g. Sedangkan peringkat karakteristika kedua adalah tanah dari titik bor D7 pada daerah Lemah Abang dengan nilai total 43 dengan data K = 8,48 x -5 cm/detik, α =,695, Kd = 5,52 cm 3 /g dan Ktot = 287,2 Bq/g. P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

5 Herry Poernomo, dkk. ISSN Titik bor D7 t b = 6,46 t e = 4, Titik bor D3 t b =,3 t e = 5, Titik bor D44.8 Titik bor D t b = 3,46 t e = 2, t b =,83 t e =, Titik bor D t b =,49 t e = 6, Titik bor D67 t b =,97 t e = 5, Titik bor D75 t b = 8,5 t e = 37, Gambar. Profil konsentrasi 9 Sr pada tanah Lemah Abang P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

6 6 ISSN Herry Poernomo, dkk,8 Titik bor G3,8 Titik bor G5 C/Co,6,4,2 t b =,36 t e = 3,9,5,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 C/Co,6,4,2 t b = 7,98 t e = 4, Titik bor G8.8 Titik bor G t b = 2,6 t e = 3, t b = 4,22 t e = 2, Titik bor G3.8 Titik bor G t b = 6,8 t e = 32, t b =, t e = 3, Titik bor G t b = 3,93 t e = 4, Gambar 2. Profil konsentrasi 9 Sr pada tanah Genggrengan P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

7 Herry Poernomo, dkk. ISSN Tabel. Karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi tanah Lemah Abang terhadap 9 Sr Tanah dari Karakteristika titik bor fisis dispersi sorpsi, Ktot Kx 5 (cm/detik) a (cm) Kd (cm 3 /g) (Bq/g) D7 8,48,695 5,52 287,2 D3 5,,492 5,9 557,3 D44 5,4,2 3,94 96,4 D58 25,2,48 5,3 498,3 D6 43,6,465 6,44 83,5 D67 62,5,86 4,94 958,4 D75 8,34,479 7,23 865,2 Tabel 2. Karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi tanah Genggrengan terhadap 9 Sr Tanah dari Karakteristika titik bor fisis dispersi sorpsi, Ktot Kx 5 (cm/detik) a (cm) Kd (cm 3 /g) (Bq/g) G3 9,7,888 4,76 978,4 G5 7,29,63 4,9 924,57 G8 2,7,27 2,94 485,24 G9 2,9,477 5,33 729,3 G3 9,32,654 4,56 83,6 G4 69,6,234 4, G5 4,2,34 4,5 235,5 Titik bor Tabel 3. Hasil penilaian (scoring) karakteristika tanah Lemah Abang dan Genggrengan Kx 5 (cm/detik) Nilai a (cm) Nilai Tanah Lemah Abang Kd (cm 3 /g) Nilai Ktot (Bq/g) Nilai S Nilai D7 8,48 2, , , D3 5, 4, ,9 557, D44 5,4 8,2 2 3, ,4 22 D58 25,2 6,48 9 5, , D6 43,6 5, , ,5 38,5 D67 62,5 3,86 4 4, , D75 8,34 3,479 7, , Σ nilai ,5 23,5 Tanah Genggrengan G3 9,7, , , G5 7,29 4,63 7 4, ,57 39 G8 2,7 7,27 2,94 485, G9 2,9,477 5,33 729, G3 9,32, , ,6 8,5 3,5 G4 69,6 2, , , P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2

8 8 ISSN Herry Poernomo, dkk G5 4,2 9,34 3 4, , Σ nilai ,5 96,5 Pada Tabel 3 menunjukkan bahwa ditinjau dari peringkat nilai karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi 9 Sr (K, α, Kd, Ktot), maka daerah Lemah Abang yang diwakili oleh tanah dari 7 titik bor yaitu D7, D3, D44, D58, D6, D67 dan D75 mempunyai nilai total karakteristika = 23,5. Sedangkan peringkat nilai karakteristika pada daerah Genggrengan yang diwakili oleh tanah dari 7 titik bor yaitu G3, G5, G8, G9, G3, G4 dan G5 mempunyai nilai total = 96,5. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa berdasarkan nilai total karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi 9 Sr, maka tanah pada daerah Lemah Abang relatif lebih baik dapat dipertimbangkan sebagai kandidat lokasi penyimpanan limbah radioaktif dibandingkan dengan tanah pada daerah Genggrengan. KESIMPULAN Hasil penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut :. Penilaian (scoring) terhadap karakteristika fisis (K), karakteristika dispersi 9 Sr (α, Kd) dan karakteristika sorpsi 9 Sr (K tot ) menunjukkan bahwa tanah pada daerah Lemah Abang mempuyai nilai total 23,5 yang lebih baik daripada tanah pada daerah Genggrengan dengan nilai total 96,5. 2. Peringkat nilai karakteristika terhadap tanah Lemah Abang yang terbaik masing-masing diwakili oleh karakteristika fisis (K = 8,34 x -5 cm/detik), karakteristika dispersi 9 Sr (α =,465 cm, Kd = 7,23 cm 3 /g) dan karakteristika sorpsi 9 Sr (K tot = 287,2 Bq/g). 2. POERNOMO, H., dkk., Karakteristik Migrasi Sr- 9 pada Tanah Dangkal di Daerah Ujung Lemah Abang, Prosiding PPIPDIN, PPNY - Batan, Yogyakarta, (998). 3. SCHNEIDER, K., Use of Local Minerals in the Treatment of Radioactive Waste, Technical Report Series No. 36, IAEA, Vienna, (974). 4. KAWAMURA, S., Radiochemical Determination of 9 Sr in Environmental Materials, Research Institute for Integrated Science, Kanagawa University (998). 5. IAEA, Laboratory Training Manual on the Use of Isotopes and Radiation in Animal Reseach, Technical Report Series No. 6, Vienna, (969). 6. WALPOLE, N.E., Pengantar Statistika, edisi ke- 3, PT. Gramedia Pustaka Utama, 38-39, 473, Jakarta, (992). TANYA JAWAB 3. Ditinjau dari karakteristika fisis, dispersi dan sorpsi, maka tanah pada daerah Lemah Abang yang paling layak dipertimbangkan sebagai kandidat lokasi penyimpanan limbah radioaktif. DAFTAR PUSTAKA. POERNOMO, H., dkk., Dispersi Sr-9 pada Tanah di Daerah Genggrengan Muria sebagai Kawasan Calon Tapak PLTN, Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakar Nuklir IV, PEBN-Batan, Jakarta, (998). P3TM-BATAN Yogyakarta, 7-8 Agustus 2