Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), ISSN 1410-9565 Volume 13 Nomor 1 Juni 2010 (Volume 13, Number 1, June, 2010) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (Radioactive Waste Technology Center) PENGARUH KANDUNGAN LIMBAH RESIN DAN BAHAN ADITIF (BETONMIX) TERHADAP KARAKTERISTIK HASIL SEMENTASI Heru Sriwahyuni, Suryantoro Pusat Teknologi Limbah Radioaktif BATAN Kawasan PUSPIPTEK, Serpong-Tangerang 15310 ABSTRAK PENGARUH KANDUNGAN LIMBAH RESIN DAN BAHAN ADITIF (BETONMIX) TERHADAP KARAKTERISTIK HASIL SEMENTASI. Telah dilakukan penelitian pengaruh kandungan limbah resin dan bahan aditif terhadap karakteristik hasil sementasi. Limbah resin yang berasal dari RSG-GAS disementasi dengan penambahan bahan aditif untuk meningkatkan ketahanan fisika kimia hasil sementasi. Dibuat sampel dengan variasi kandungan limbah antara 10 60 % berat dengan penambahan bahan aditif sebanyak 2 %, diameter sampel adalah 45 mm dan tinggi 50 mm. Kemudian hasil sementasi dengan penambahan bahan aditif dibandingkan dengan hasil sementasi tanpa penambahan bahan aditif. Uji kualitas blok semen meliputi uji pelindihan, uji kuat tekan dengan menggunakan alat Paul Weber dan pengukuran densitas hasil sementasi ditentukan dengan cara menimbang dan mengukur volume sampel. Hasil percobaan menunjukkan bahwa hasil optimal diperoleh pada sampel dengan penambahan bahan aditif aditif betonmix 2 % dan kandungan limbah 30% berat. Hasil pengukuran densitas optimal adalah 1,493 g/cm 3 dengan kuat tekan 10,69 N/mm 2. Hasil dari percobaan ternyata lebih kecil dibandingkan dengan standar IAEA untuk hasil sementasi. Kata kunci : Limbah resin, bahan aditif, karakteristik sementasi ABSTRACT THE EFFECT OF SPENT RESIN LOADING AND ADDITIVE MATERIAL MIXTURE TO CHARACTERISTIC OF CEMENTATION RESULT. Experiment of the effect of spent resin-additive material mixture to the characteristic of cementation result has been done. Resin wastes originated from RSG facility were immobilized with cementation method by adding additive material to increase chemico-physical durability of cementation results. Samples were varied from 10 60 % weight of waste loading with 2% addition of additive material. Sample dimension was 46 mm dia and 50 mm height. Cementation result and then were compared among without added and with added additive material. Qualities of samples were tested with leaching test, compression strength test by using paul weber apparatus and density measurement was determined by weighting and measuring of sample s volume. The experiment results showed that optimal result of sample with 2% adding additive material was in 30% of waste loading with density of sample was 1,493 g/cm 3 and compression strenght was 10,69 N/mm 2. Experiment results were less than IAEA standard for cementation result testing. Keywords : Resin waste, additive, characteristics of cementation PENDAHULUAN Kegiatan operasi Reaktor Serba Guna G. A. Siwabessy telah menyebabkan air pendingin primer reaktor menjadi radioaktif. Unsur radioaktif tersebut berasal dari hasil reaksi fisi bahan bakar nuklir dengan netron yang sebagian besar tertahan oleh kelongsong dan sebagian lagi terlepas secara difusi menembus dinding kelongsong kemudian masuk ke dalam sistem sirkulasi air pendingin primer. Unsur radioaktif dapat pula terjadi akibat reaksi aktivasi air pendingin primer. Untuk menurunkan aktivitas air pendingin tersebut digunakan resin penukar ion. Akibat penangkapan radionuklida yang terus menerus, resin menjadi jenuh dan tidak dapat digunakan lagi sehingga diperlakukan sebagai limbah radioaktif. Pada bulan Mei tahun 2008 PRSG mengirimkan limbah resin sebanyak 7000 liter dengan aktivitas total sebesar 345076199.9 Bq atau sebesar 49296,59998 Bq/7000 liter (1,331008.10-3 Ci/m 3 ) ke Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (PTLR) [1]. Secara umum resin adalah senyawa hidrokarbon terpolimerisasi sampai tingkat yang tinggi yang mengandung ikatan-ikatan hubung silang (cross-linking) serta gugusan yang mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan [2,3]. Berdasarkan gugus fungsionalnya, resin penukar ion terbagi menjadi dua yaitu resin penukar kation dan resin penukar anion. Resin penukar kation mengandung kation yang 14
Heru Sriwahyuni, Suryantoro : Pengaruh Kandungan Limbah Resin dan Bahan Aditif (Betonmix) Terhadap Karakteristik Hasil Sementasi dapat dipertukarkan, sedang resin penukar anion mengandung anion yang dapat dipertukarkan. Secara umum rumus struktur resin penukar kation dapat dilihat pada Gambar 1 dan resin penukar anion Gambar 2 [2]. Limbah resin ini kemudian diolah melalui pemadatan (solidifikasi) menggunakan matriks semen sehingga diperoleh hasil pemadatan sebagai blok beton. Matriks semen yang merupakan campuran dari material semen, pasir dan air akan bereaksi secara kimia dan mengeras, memberikan hasil pemadatan berupa beton [4]. Untuk meningkatkan kekuatan hasil sementasi maka ditambahkan bahan aditif. Bahan aditif yang digunakan dalam penelitian ini adalah betonmix (Merk dagang). Betonmix merupakan cairan yang tidak berwarna dan bertujuan untuk meningkatkan kualitas blok beton, sehingga kualitas pengungkungan imobilisasi unsur radioaktifnya meningkat. CH CH 2 CH CH 2 CH SO 3 - H + CH 2 CH CH 2 SO 3 - H + CH 2 CH CH CH 2 SO 3 - H + SO 3 - H + Gambar 1. Resin Penukar Kation CH CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH 2 NMe 3 + Cl - CH 2 CH 2 NMe 3 + Cl - CH 2 CH 2 CH CH CH 2 CH 2 NMe 3 + Cl - CH 2 NMe 3 + Cl - Gambar 2. Resin Penukar Anion 15
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol.13 No.1 2010 ISSN 1410-9565 TATA KERJA Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah resin berasal dari Pusat Reaktor Serba Guna, bahan aditif (betonmix), semen portland tipe I, aquades, pot polietilen diameter 45 mm dan tinggi 50 mm. Peralatan yang digunakan antara lain mixer, neraca analitik, gelas arloji, spatula, gelas ukur, wadah plastik 1800 ml, alat uji tekan Paul Weber, alat cacah Multi Channel Analyzer (MCA). Kegiatan ini seluruhnya dilakukan di Pusat Teknologi Limbah Radioaktif pada tahun 2009. METODE Pembuatan blok semen dengan kandungan limbah 10 sampai dengan 60 %, dimana dicampurkan air/semen dengan perbandingan 35% berat, dan kandungan limbah divariasi antara 10% sampai 60 %, ditambahkan bahan aditif sebanyak 2% berat. Adonan diaduk dengan menggunakan mixer elektrik sampai campuran terlihat homogen. Adonan yang sudah homogen dimasukkan ke dalam cetakan pot polietilen berdiameter 45 mm dan tinggi 50 mm dan didiamkan selama 28 hari (curing time). Penentuan densitas dan kuat tekan dilakukan setelah sampel didiamkan selama 28 hari. Sampel ditimbang dan diukur dimensinya untuk memperoleh densitas sampel, densitas sampel dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (1). Selanjutnya sample diuji tekan dengan menggunakan alat buatan Paul Weber dan kekuatan tekan ditentukan dengan persamaan (2). ρ= m V (1) P= F A (2) dimana : ρ = densitas (g/cm 3 ), P = kuat tekan (N/cm 2 ), m = massa (g), V = volume (cm 3 ), dan A = luas area (cm 2 ). Pengukuran laju pelindihan dilaksanakan setelah didapat hasil sementasi berupa blok semen dengan kandungan limbah yang optimum. Uji pelindihan dilakukan dengan cara merendam sampel ke dalam gelas beker berisi air demin sebanyak 1000 ml yang berperan sebagai media pelindih. Pada hari ke-2, 3, 5, 7, 9 sampai hari ke-60 air pelindih diambil sebanyak 500 ml dan dicacah menggunakan alat cacah MCA. Pengukuran konduktivitas larutan pelindih di ukur dengan menggunakan alat ukur konduktivitimeter. Pengukuran konduktivitas dilakukan pada minggu ke 1 sampai minggu ke 13. Dan yang terakhir adalah pengukuran langsung aktivitas radionuklida pada blok beton hasil imobilisasi yang dilakukan dengan menggunakan alat cacah MCA, dengan jarak antara MCA dan sampel adalah 5 cm. HASIL DAN PEMBAHASAN Limbah resin yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari Pusat Reaktor Serba Guna yang disimpan di Interm Storage 1 dalam drum no. 50 dengan paparan radiasi dalam jarak 1 m adalah 0,7 µsv/jam. Limbah resin yang belum diolah, dicacah menggunakan MCA untuk mengetahui kandungan dan aktivitas radionuklida dalam limbah tersebut. Dari hasil pencacahan terlihat ada beberapa radionuklida yang terdeteksi yaitu : Mn-54 dengan aktivitas 9,74. 10-5 (µci/ml), Co-60 dengan aktivias 2,57. 10-3 (µci/ml) dan Cs-137 dengan aktivitas 6,99. 10-5 (µci/ml). Penentuan densitas dan kuat tekan blok semen Penentuan densitas dilakukan untuk mengetahui karakteristik campuran semen dengan penambahan bahan aditif dan limbah resin. Hasil pengukuran densitas dari penelitian ini ditampilkan pada Tabel 1. Berdasarkan data pada Tabel 1, dibuat grafik densitas versus kandungan limbah yang dapat dilihat pada Gambar 3. Secara umum dari Gambar 3. dapat dilihat bahwa penambahan kandungan resin telah mengakibatkan terjadinya penurunan densitas beton limbah secara linier. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi ikatan antara resin dan semen merupakan interaksi ikatan fisika. Dengan pendekatan persamaan regresi linier maka penurunan densitas terhadap persen berat kandungan limbah pada blok semen tanpa penambahan bahan aditif adalah f(x)=-0,02x + 1,82 dan pada blok semen dengan penambahan bahan aditif adalah f(x) = -0,02x + 1,97. 16
Heru Sriwahyuni, Suryantoro : Pengaruh Kandungan Limbah Resin dan Bahan Aditif (Betonmix) Terhadap Karakteristik Hasil Sementasi Tabel 1. Pengukuran Densitas Blok Semen No Kandungan Limbah (%) Tanpa Aditif Densitas (g/cm 3 ) Ditambah aditif 1 0 1,838 2,035 2 10 1,670 1,776 3 20 1,592 1,515 4 30 1,159 1,493 5 40 1,079 1,380 6 50 0,956 1,122 7 60 0,943 0,931 2.5 2 f(x) = -0.02x + 1.97 Densitas (g/cm3) 1.5 1 f(x) = -0.02x + 1.82 Tanpa bahan aditif Linear Regression for Tanpa bahan aditif Ditambah bahan aditif Linear Regression for Ditambah bahan aditif 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Kandungan Limbah (%) Gambar 3. Pengaruh kandungan resin bekas terhadap densitas beton-limbah Penambahan bahan aditif betonmix pada hasil sementasi telah mampu menurunkan viskositas campuran beton, resin dan air sehingga campuran menjadi lebih keras. Dari data yang diperoleh, penambahan bahan aditif mampu meningkatkan densitas blok semen limbah sebesar 8,24%. Densitas yang diperoleh pada kondisi optimal dengan kandungan limbah 30% adalah 1,493 g/cm 3 dan ternyata nilai tersebut belum memenuhi standar yang ditetapkan olehiaea (International Atomic Energy Agency), dimana untuk standar IAEA mempunyai nilai antara 1,70 2,50 g/cm 3 [5]. Dari percobaan pengaruh perbandingan kandungan limbah resin dengan semen terhadap kuat tekan didapat data yang ditampilkan pada Tabel 2. 17
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol.13 No.1 2010 ISSN 1410-9565 Tabel 2. Pengukuran Kuat Tekan Blok Semen Kuat Tekan (N/mm 3 ) No Kandungan Limbah (%) Tanpa Aditif Dengan aditif 1 0 12,58 14,47 2 10 10,69 13,21 3 20 6,29 12,58 4 30 1,26 10,69 5 40 0,63 4,40 6 50 0,63 1,26 7 60 0,32 0,63 Berdasarkan data dari Tabel 2, dibuat grafik hubungan kuat tekan versus kandungan limbah resin yang dapat dilihat pada Gambar 4. Kuat Tekan (N/mm2) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Tanpa bahan aditif Ditambah bahan aditif Kandungan Limbah (%) Gambar 4. Pengaruh kandungan resin bekas terhadap kuat tekan beton-limbah Dari Gambar 4, dapat dilihat bahwa semakin tinggi kandungan resin mengakibatkan penurunan kuat tekan baik untuk blok semen tanpa penambahan bahan aditif maupun dengan blok semen dengan penambahan bahan aditif. Pada blok semen tanpa penambahan bahan aditif pada kandungan limbah 10% sampai 20 % penurunan kuat tekan belum signifikan, selanjutnya pada kandungan limbah 30% sampai 40% terjadi penurunan kuat tekan secara signifikan. Penurunan kuat tekan cenderung linier pada blok semen antara 50% sampai 60%. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada blok semen tanpa penambahan bahan aditif dengan kandungan limbah antara 10% sampai 20 % menunjukkan bahwa ikatan semen masih mampu mengungkung limbah resin dengan baik, sehingga tekanan swelling dari limbah resin masih dapat ditahan oleh kekuatan ikatan semen. Pada kandungan limbah resin 30% sampai 40% porsi kekuatan swelling menjadi meningkat seiring peningkatan kandungan limbah, sehingga kemampuan kekuatan semen untuk mengimbangi kekuatan swelling 18
Heru Sriwahyuni, Suryantoro : Pengaruh Kandungan Limbah Resin dan Bahan Aditif (Betonmix) Terhadap Karakteristik Hasil Sementasi menurun. Pada kandungan limbah 50% sampai 60 % kekuatan semen hanya berfungsi sebagai pengikat antar butiran resin sehingga kuat tekan sampelnya menjadi rendah. Pada sampel blok semen dengan penambahan bahan aditif, kuat tekan yang diperoleh lebih besar besar dibandingkan dengan kuat tekan tanpa aditif. Penurunan kuat tekan tidak begitu signifikan antara kandungan limbah 10% sampai 30%, dan menjadi signifikan setelah kandungan limbah 30%. Penambahan bahan aditif meningkatkan kuat tekan blok semen limbah dikarenakan aditif mampu meningkatkan kekerasan dari blok semen limbah sehingga ikatan blok semen limbah menjadi lebih kuat. Dari data yang diperoleh, blok semen dengan kandungan limbah 30 % dengan penambahan bahan aditif 20% mempunyai kuat tekan yang paling tinggi yaitu 10,69 N/mm 2 tetapi harga tersebut belum memenuhi kriteria standar IAEA, dimana standar IAEA untuk kuat tekan adalah 20 50 N/mm 2 [5]. Pengukuran laju pelindihan Pada percobaan uji pelindihan blok semen selama hampir 2 bulan, seluruh larutan pelindih setelah dicacah dengan MCA tidak terdeteksi adanya lepasan radionuklida. Hal ini dikarenakan radionuklida Co-60, Cs-137 dan Mn-54 terikat oleh resin penukar kation, dan resin telah terimobilisasi dalam matriks semen. Pada keadaan tersebut sangat sukar terjadi pelindihan radionuklida yang telah terikat oleh resin yang telah terimobilisasi dalam matriks semen. Pengukuran konduktivitas dan kerapuhan blok semen Untuk mengetahui bahwa blok semen limbah mengalami pelindihan juga digunakan metode lainnya yaitu dengan cara mengukur konduktivitas cairan penlindih dengan alat konduktivitimeter yaitu mengukur secara total ion-ion yang terlarut kedalam larutan pelindih. Dari Gambar 5, dapat diketahui bahwa semakin lama waktu pelindihan, pelepasan ion-ion terlarut ke larutan pelindih akan mengalami kejenuhan. Dari hasil penelitian, blok semen tanpa penambahan bahan aditif mempunyai kelarutan lebih tinggi dibandingkan blok semen dengan penambahan bahan aditif. Hal ini menunjukkan penambahan bahan aditif dapat menurunkan pelepasan unsur-unsur semen-limbah ke dalam larutan pelindih. Pada sampel tanpa aditif dan dengan penambahan bahan aditif, semakin tinggi kandungan limbah resin kelarutannya semakin tinggi. Hal ini disebabkan semakin tinggi limbah resin kemampuan kekuatan swelling yang melawan kekuatan ikatan semen semakin besar sehingga blok semen hasil imobilisasi menjadi lebih rapuh. 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 10/7/2009 10/14/2009 10/21/2009 10/28/2009 11/4/2009 11/11/2009 11/18/2009 11/25/2009 12/2/2009 12/9/2009 12/16/2009 12/23/2009 12/30/2009 1/6/2010 konduktivitas (mikrosiemen/cm) TA-0% TA-10% A-0% A-10% A-20% A-30% Tanggal Gambar 5. Pengaruh bahan aditif dan waktu pelindihan terhadap konduktivitas larutan pelindih blok semen Hasil pengamatan secara visual disajikan pada Gambar 6, dimana blok semen hasil sementasi mulai dari kandungan limbah 30% sampel hasil imobilisasi terlihat merekah pecah dari atas sampai 19
Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol.13 No.1 2010 ISSN 1410-9565 bawah. Dan rekahan semakin melebar dengan meningkatnya kandungan limbah 40 % sampai 50%, dikhawatirkan kondisi seperti ini pada hasil sementasi yang sebenarnya dapat menyebabkan ion-ion logam dan radionuklida yang ada di blok semen akan mudah terlepas ke lingkungan. Tentunya hal seperti ini sangat penting untuk dihindari. Gambar 6. Blok Semen dengan variasi kandungan limbah 30% - 50% Pengaruh aditif terhadap atenuasi beton-limbah Pengukuran langsung aktivitas radionuklida dalam blok semen dengan hasil seperti yang tercantum dalam Tabel 3. Tabel 3. Pengukuran Blok Semen Dengan alat MCA (Multy Channel Analyzer) No Kandungan Limbah (%) Aktivitas Radionuklida Dalam Blok Semen (µci/ml) Tanpa Bahan Aditif Ditambah Bahan Aditif Mn-54 Co-60 Cs-137 Mn-54 Co-60 Cs-137 1. 0 ----- ------- ------ ----- ------- ------ 2. 10 3. 20 ------ ------ 5,04.10-4 ------- ----- -4 ------ 4,78.10 9,14.10-4 ------- ----- -4 ------ 8,19.10 4. 30 5,30.10-5 1,38.10-3 ------ ----- -4 ------ 5,77.10 5. 40 7,46.10-5 1,79.10-3 4,66.10-5 2,42.10-5 -4 ------ 5,39.10 6. 50 7,52.10-5 1,83.10-3 4,90.10-5 1,93.10-5 -4 ------ 4,72.10 7. 60 8,30.10-5 1,96.10-3 3,96.10-5 8,98.10-5 1,97.10-3 5,99.10-5 Dari Tabel 3. dapat dilihat bahwa penambahan bahan aditif meningkatkan atenuasi dari blok semen, hal ini disebabkan karena penambahan bahan aditif mampu meningkatkan densitas blok semen limbah. Semakin tinggi densitas blok semen, maka kemampuan atenuasi terhadap paparan radiasinya semakin tinggi pula. KESIMPULAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa: 1. Semakin tinggi kandungan limbah menyebabkan penurunan densitas dan kuat tekan blok semen 2. Penambahan aditif betonmix sebanyak 2 % mampu meningkatkan densitas dan kuat tekan blok semen 3. Hasil optimal diperoleh pada sampel dengan penambahan aditif 2 % dan kandungan limbah 30 % dengan densitas 1,493 g/cm 3, kuat tekan 10,69 N/mm 2, dan hasil ini ternyata lebih kecil dari standard yang diterapkan oleh IAEA untuk hasil sementasi. 4. Dilihat dari hasil yang diperoleh disarankan agar imobilisasi limbah resin perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan metode lainnya yang lebih efektif dibandingkan imobilisasi secara sementasi. 20
Heru Sriwahyuni, Suryantoro : Pengaruh Kandungan Limbah Resin dan Bahan Aditif (Betonmix) Terhadap Karakteristik Hasil Sementasi DAFTAR PUSTAKA [1] Nugraha, H., Unggul, H., Y. Sumarno, Tri Anggono dan A. Fahmi Muslimu: Analisis Limbah Resin Di Reaktor Serba Guna GA. Siwabessy Tahun 2008, Prosiding Seminar Nasional IV SDM Teknologi Nuklir. STTN Yogyakarta. 545-553 (2008). [2] Gokhle,A.S., Mathor, P.K., and Venkateswarhu, K.S.: Ion Exchange Resin for Water Purification: Properties and Characterization, Water Chemistry Division Bhabha Atomic. Research Centre. Bombay, India (1987). [3] International Atomic Energy Agency: Management of Spent Resin Ion-Exchange Resin From Nuclear Power Plants, TECDOC-238, IAEA-Vienna (1981). [4] BATAN-Technicatome: System Note : Solid, Semi Solid, Liquid Waste Treatment, WSPG 330 NSN 9001, Paris (1986). [5] International Atomic Energy Agency: Chemical Durability and Related Properties of Solidified High Level Waste Form, Technical Report Series No. 257, IAEA-Vienna (1985). 21