RANCANG BANGUN PERANGKAT PREPARATOR SKALA LABORATORIUM PADA UNIT PENGOLAHAN KIMIA LIMBAH RADIOAKTIF CAIR Endro Kismolo, Sukosrono, Nurimaniwathy -BATAN, Babarsari Yogyakarta 55281 E-mail:ptapb@batan.go.id ABSTRAK RANCANG BANGUN PERANGKAT PREPARATOR SKALA LABORATORIUM PADA UNIT PENGOLAHAN KIMIA LIMBAH RADIOAKTIF CAIR. Telah dilakukan rancang bangun perangkat preparator pada unit pengolahan limbah radioaktif cair. Kegiatan ini bertujuan untuk menyiapkan data rancang bangun perangkat preparator pada penyempurnaan unit pengolahan kimia limbah radioaktif cair. Dari kegiatan diperoleh bentuk model teknis preparator sesuai kebutuhan teknis pada fasilitas pengolahan kimia untuk reduksi limbah radioaktif cair untuk debit aliran 100,0 ml/ menit, yaitu dengan dimensi tangki pengenap berbentuk silinder dengan diameter = 20,00 cm, tinggi tangki = 32,00 cm dan tinggi efektif = 31,00 cm. Untuk dimensi kolom filtrasi berbentuk silinder dengan diameter kolom = 17 cm, tinggi kolom = 68,00 cm dan tinggi efektif = 60,00 cm. Kata kunci : Preparator Skala Laboratorium ABSTRACT THE DESIGN CONSTRUCTION FOR LABORATORY SCALE OF PREPARATOR UTILITY ON CHEMICAL TREATMENT OF LIQUID RADIOACTIVE WASTE UNIT. The design construction for laboratory scale of preparator utility on chemical treatment of liquid radioactive waste has been done. The activity to prepare the data in the design construction of preparator utility for improving chemical treatment unit of radioactive waste. From the activity can be obtained a performance of technical preparator model was appropriate of technical needed on chemical treatment facility for reducing of liquid radioactive wastes for the flow rates are 100.0 ml/ minute, that are dimention of settled tank on diameter cylinder = 20.00 cm, tangk height = 32.00 cm and effective height = 31.00 cm. Column dimention for filtration wich here cylinder shepe with diameter column 17.00 cm, column height 68.00 cm and effective height = 60.00 cm. Keywords : Preparatory 0f Laboratory Scale PENDAHULUAN P erangkat pengolahan kimia limbah radioaktif cair fase air pada umumnya meliputi tangki umpan, reaktor koagulasi, reaktor flokulasi dan unit filtrasi. Efisiensi pemisahan radionuklida yang diperoleh sangat ditentukan pada kondisi limbah (ph dan konsentrasi radionuklida) dan pemilihan bahan kimia pengolah (koagulan/flokulan) yang digunakan. Kualitas hasil pengolahan kimia ditentukan oleh karakteristik kadar radionuklida dalam beningan efluen yang diperoleh. Dari data pengoperasian perangkat pengolahan kimia limbah radioaktif cair fase air, secara kontinyu, efektivitas koagulan-flokulan cukup tinggi jika kondisi limbah umpan memiliki keseragaman kadar radionuklida, ph dan kadar zat padat terlarut (1,2). Sedangkan efisiensi pemakaian bahan koagulan-flokulan sangat ditentukan pada karakteristik umpan limbah yang diolah, sehingga penyempurnaan penanganan limbah umpan menjadi sangat penting, yaitu dengan melengkapi perangkat preparator. Endro Kismolo, dkk. ISSN 110 8178 Buku II hal 71
TEORI Preparator dirancang sebagai perangkat proses pada perangkat pengolahan kimia limbah radioaktif cair untuk menindaklanjuti larutan limbah hasil pengaturan ph, karena limbah radioaktif cair fase air biasanya kondisinya sangat variatif baik ph, kadar radionuklida dan kadar zat padat terlarut di dalamnya. Perangkat preparator terdiri dari reaktor pengaturan ph dan unit filtrasi. Reaktor pengenapan berfungsi untuk mengendapkan limbah radioaktif cair fase air hasil pengatur ph, sehingga diperoleh limbah radioaktif cair yang memiliki ph dan kadar zat padat terlarut sesuai kondisi proses koagulasi-flokulasi yang akan dilakukan. Limbah radioaktif cair fase air hasil pengaturan ph yang diumpankan ke dalam reaktor pengenapan biasanya memiliki ph basa dan kadar radionuklida bervariasi. Sedangkan unit filtrasi digunakan untuk memisahkan endapan dan parikel kasar yang masih ada di dalam limbah over flow dari reaktor pengenapan (2,3). Pada perangkat pengolahan kimia yang telah ada saat ini, pengaturan ph dan penambahan bahan kimia koagulan-flokulan dijadikan satu pada reaktor koagulasi-flokulasi. Dari data yang ada, dengan metode ini mengakibatkan pengaturan dosis bahan koagulan-flokulan menjadi sulit karena endapan yang terjadi sangat kompleks. Pada pengaturan ph ke arah basa biasanya timbul endapan cukup banyak, pada penambahan flokulan-koagulan timbul endapan baru dan terjadi penggumpalan akibat terjadinya flok yang terkoagulasi akibat proses stabilisasi butir-butir flok. Proses ini menjadi sulit terkontrol karena endapan yang terjadi sangat kompleks, berikut adanya endapan terflotasi dan kadar zat padat terlarut yang cukup tinggi yang sulit dipisahkan, sehingga perlu dilakukan inovasi metode melalui penyediaan perangkat baru untuk preparasi umpan (). Melalui penyediaan perangkat proses preparasi, endapan yang timbul akibat pengaturan ph tidak lagi terjadi pada proses flokulasikoagulasi, karena melalui proses filtrasi akan diperoleh filtrat yang memiliki ph sesuai kondisi proses flokulasi-koagulasi. Dengan demikian efektivitas pemakaian bahan flokula-koagulan pada proses flokulasi-koagulasi menjadi lebih tinggi, karena selain tingkat selektivitas flokulankoagulan menjadi lebih tinggi, dan pemakaian bahan kimia flokulan-koagulan diduga akan dapat dihemat. Hal ini diduga karena beban reaksi yang ada sebagian sudah terjadi pada proses pengaturan ph, dan beban endapan telah direduksi pada perangkat preparator. Karena selektivitas flokulan-koagulan meningkat, maka efisiensi pemisahan radionuklida akan meningkat (5,6,8). Reaktor pengenapan dirancang berbentuk silinder-dasar konis dilengkapi pengaduk tunggal berbentuk singgle blade (7,8). Sedangkan unit filtrasi dirancang menggunakan sistem penyaringan cepat menggunakan teknik vakum. Melalui kegiatan ini diduga mampu meningkatkan efisiensi pemisahan radionuklida pada pengolahan kimia limbah radioaktif cair, dan mampu menekan kebutuhan bahan kimia flokulan-koagulan. METODE RANCANG BANGUN 1. Bahan : a. Data Primer Merupakan data yang didapatkan dengan pengukuran atau observasi langsung di lapangan. Dalam rancang bangun ini, yang termasuk data primer yaitu meliputi kualitas dan karakteristik limbah, kuantitas limbah dan rencana pemanfaatan perangkat. b. Data Sekunder Merupakan data yang diperoleh berdasarkan hasil penelitian terdahulu atau hasil observasi pustaka. Dalam rancang bangun ini, yang termasuk data sekunder antara lain teori - teori yang berkaitan dengan pengolahan limbah radioaktif cair fase air dan nilai efisiensi reduksi radionuklida yang direncanakan. 2. Langkah dan Tahapan Kegiatan Rancang Bangun a. Tahap Persiapan Menginventarisasi hal-hal yang berkaitan dengan proses sedimentasi, filtrasi dengan melakukan studi pustaka maupun data tertulis lainnya yang kemudian dicantumkan dalam kajian teori sebagai landasan untuk penyusunan rancang bangun. b. Tahap Pelaksanaan 1. Menentukan rencana desain instalasi sesuai fungsinya. 2. Menyusun diagram alir kuantitatif dan kualitatif yang melukiskan langkahlangkah penting dalam proses preparasi. 3. Menyusun neraca massa seluruh sistem dan masing-masing unit pengolahan yang merupakan perbandingan jumlah massa masuk dan jumlah massa keluar yang menjelaskan kesetimbangan massa selama proses pengolahan berlangsung dalam satuan (g/menit). HASIL RANCANG BANGUN a. Spesifikasi bahan dan rencana kemampuan reduksi radionuklida dan endapan hasil reaksi 1. Reaktor pengenapan Reaktor pengenapan berfungsi untuk mengenapkan endapan yang berasal dari Buku II hal 72 ISSN 110 8178 Endro Kismolo, dkk
limbah umpan. Tangki reaktor pengenapan dibuat dari bahan plat stainless steel 316 yang dilengkapi dengan pengaduk tunggal bebentuk singgle blade, kran limpahan out-put untuk memudahkan pengaturan debit aliran limbah cair, dan kran pengeluaran (drain) sisa proses pada dasar tangki. Berdasarkan kasus yang mungkin terjadi pada bak elektrokoagulasi, maka pada reaktor pengenapan direncanakan mampu membentuk endapan yang mengikat TSS diatas 85 % dalam bentuk endapan baru, kadar U terenapkan sekitar 70 % dan ph = 8,0. 2. Unit filtrasi Unit filtrasi berfungsi untuk memisahkan fraksi beningan filtrat dan partikel padat (endapan) dari proses pengaturan ph. Unit filtrasi dibuat berbentuk kolom terbuka dari bahan plat stainless steel 316 yang dilengkapi dengan sistem vakum. Bagian partikel padat/ endapan dipisahkan dengan kertas saring teknis yang diletakkan pada bidang konis berpori. Berdasarkan kasus yang mungkin terjadi pada unit filtrasi, maka pada unit filtrasi direncanakan mampu menurunkan nilai kadar zat padat terlarut (TSS = Total Solute Solvent) sebesar 97,0 %, kadar U 66,60 % dan ph = 8,0. b. Diagram Alir Kuantitatif Diagram alir kuantitatif kontaminan (bahan pencemar) dapat dilihat dari gambar sebagai berikut : 1 3 No Bahan Reaktor 2 1 2 Filtrasi 3 Bagan 1. Diagram Alir Kuantitatif. c. Diagram Alir Kualitatif Diagram alir kualitatif bahan pencemar dapat dilihat dari gambar sebagai berikut : Bagan 2. Diagram Alir Kualitatif. 5 TSS 350 300 50 1,5 8,5 U 0,50 0,35 0,15 0,05 0,10 ph 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 1 1 1 28 28 28 Reaktor pengenapan Filtrasi 5 d. Neraca Bahan dan Perhitungan Neraca Bahan Basis debit (Q) limbah : 1000 ml/ menit dan berat jenis limbah cair sebesar 1,039 g/cm 3 1. Tangki pengenapan : Tabel. 1. Neraca bahan pada tangki pengadukan pengaturan ph Output Bahan Input Akumulasi Beningan (endapan) over flow H2O 688,50 20,975 7,525 TSS 350 299,25 50,75 U 0,50 0,35 0,15 ph 8,0 8,0 8,0 Total 2. Kolom filtrasi : Tabel. 2. Neraca Bahan pada tangki filtrasi Bahan 1039 g/menit Input 50,555 g/menit Output Akumulasi (fraksi tertahan) 98,5 g/menit Beningan filtrat H2O 7,525 22,377 25,18 TSS 50,75 9,227 1,522 U 0,15 0,099 0,051 ph 8,0 8,0 8,0 Total 98,5 71,703 26,721 g/menit g/menit g/menit e. Perhitungan Dimensi Alat (6) ; Tangki reaktor pengenapan Tangki reaktor pengenapan berfungsi untuk : - mengenapkan partikel kasar dalam bentuk endapan hasil perubahan ph limbah - sesuai dengan fungsinya, maka diambil H : D = 1 : 1 Kriteria perancangan : a. Waktu tinggal (t) = 60 menit b. Densitas cairan = 1,039 g/cm 3 c. Tangki berbentuk silinder dengan dasar konis 1. Perhitungan volume tangki : Flow rate limbah (Fv) = m / ρ =100g/menit/1.039 g/cm 3 =96,26 cm 3 /menit Volume tangki (Vt) = Fv. T = 96,26 cm 3 / menit x 60 menit = 577,76 cm 3 Endro Kismolo, dkk. ISSN 110 8178 Buku II hal 73
Asumsi volume cairan= 80 % Volume cairan = Vt x 80 % = 5.77,76 cm 3 / 0,8 = 7.218,5 cm 3 = 7,2 liter 2. Perhitungan dimensi tangki Diambil bentuk silinder dengan H : D = 1:1 V = V = π 2 D H π 3 D D = (V/ π ) 3 = ( x 7.218,5 cm 3 ) / π ) = (28.873,8 cm 3 ) / π ) 1/ 3 1/ 3 Diameter tangki (D)= 20,95 cm. Tinggi tangki (H) =Diameter tangki (D) = 20,95 cm Asumsi teknis tinggi tangki (H = 1,5 D) = 31,2 cm Tinggi tangki (H) diambil = 32,00 cm Koreksi teknis dalam bentuk konis diambil 10,0 cm 3. Perhitungan tebal tangki Persamaan yang dipakai (Brownell & Young, 1959) p. r t = i f. E 0, 6 p dengan : t = tebal dinding tangki minimum, in p= tekanan, psi E= efisiensi sambungan las F= tekanan maksimum yang diijinkan, psi C = korosi yang diijinkan, (in) Menghitung tekanan sistem : P = (P desain + P hidrostatis ) P udara P desain = 1 atm = P udara luar Menghitung tekanan hidrostatis P hidrostatis= p. L = 1,0 g/cm 3 x 32,00 cm = 33,28 g/cm 2 = 33,28 g/cm 2 / 70,301 psi/g.cm -2 = 0,733 psi Bahan konstruksi tangki dipilih plat stainless steel AISI - 316 (53000), dengan f = 3,955 psi E = 0,8 (double welded joint) Maka : 0,7100x9,6 3,955.0,8 0,6.0,733 = 0,12 in t = 0,3159 cm Tebal plat tangki diambil = 0,30 cm t= ( ) + 0, 125 Gambar 1. Desain teknis tangki pengatur ph(ukuran dalam sentimeter). Perhitungan asumsi dimensi tangki filtrasi Tangki filtrasi diambil bentuk silinder terbuka dengan menggunakan filter jenis kertas saring teknis. Karena hanya melayani aliran over flow dari tangki pengenapan, ukuran kolom filtrasi dihitung atas dasar kecepatan penyaringan, maka dapat diambil kondisi kecepatan penyaringan dan aliran over flow maksimum sesuai kebutuhan sebagai berikut (BLACKADDER, DKK): Kecepatan penyaringan = 10 25 gpm/ft2 Diambil Aliran over flow maks in = 20 gpm/ft2 = 5,77 liter / jam = 1,525 gpm Sesuai dengan kondisi umpan awal,dimana: Volume tangki (Vt) = Fv. T = 96,26 cm 3 / menit x 60 menit Flow rate limbah (Fv) = 5.77,76 cm 3 / jam = 5,77 liter / jam Tetapi Luas penampang (A)=1,525gpm/20 gpm/ft2 = 0,0762 ft2 = 70,808 cm 2 Drain Over flow Plat SS-316-0,3 cm Buku II hal 7 ISSN 110 8178 Endro Kismolo, dkk
Diambil bentuk silinder, maka : Diameter (D)kolom filtrasi = 70,808cm = 8,1 cm Diameter (D) asumsi = 50 % = 8,1 cm2 / 0,5 = 16,828 cm Diameter (D) kolom filtrasi= 17,00 cm Tinggi kolom (H) filtrasi = D = x 17,00 cm = 68 cm Tinggi kolom (H) Efektif = 80 % x 68 cm = 60 cm Tebal plat kolom filtrasi minimum sama dengan tebal tangki pengenapan = 0,30 cm Untuk menahan tekanan minus, cross handled (NORMAN N.Li.Si.D) pada kolom filtrasi, berupa plat silang yang dipasang pada kolom bagian dalam. 2 2. AUSTIN,G.T.,(198), Shreve s Chemical Process Industries, 5 th Edition, McGrow Hill Book Company, New York. 3. SK DIRJEN BATAN No 11/Dj/1986 SK DIRJEN BATAN No 11/Dj/1986 Tentang Ketentuan Keselamatan untuk Pengelolaan Limbah Radioaktif, Badan Tenaga Atom nasional, Jakarta, (1986).. ENDRO KISMOLO, DKK, Inovasi Teknik Preparasi Limbah Uranium Cair Fase Air Umpan Proses Evaporasi Menggunakan Evaporator.Prosiding SeminarNasional P3N, PTAPB Batan, (2006). 5. RONODIRDJO, S, Diktat Kuliah Pengolahan Sampah Radioaktif, Bagian Teknik Nuklir Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, (1982). 6. NURIMANIWATHY, DKK, Pengolahan Awal Limbah Uranium Cair Fase Air Untuk Umpan Proses Evaporasi, Prosiding SeminarNasional P3N, ptapb BATAN, (2008. 7. BLACKADDER, DKK, A Hand Book Of Unit Operation, Academic Press, London And New York, 1981. 8. NORMAN N.Li.Si.D, Recent Development In Separation Science, Vol I, New Jersey, CRT Press, 1979. TANYA JAWAB Gambar 2. Desain teknis kolom filtrasi (ukuran dalam sentimeter) KESIMPULAN Dari data perhitungan melalui asumsi karakteristik limbah, karakteristik proses dan kemampuan perangkat untuk setiap unit di atas, untuk debit aliran limbah sebesar 100,0 ml/ menit dapat diambil kesimpulan bahwa dimensi tangki pengenap berbentuk silinder dengan dasar konis dengan ukuran alat adalah diameter 20,0 cm; tinggi tangki 32,0 cm, dengan tinggi efektif 31,0 cm. Sedangkan dimensi kolom filtrasi berbentuk silinder dengan ukuran alat adalah diameter kolom 17, 0 cm; tinggi kolom 68,0 cm dengan tinggi kolom efektif 60,0 cm. Suyanti Untuk menentukan jenis bahan untuk suatu reaktor harus diketahui sifat bahan yang direaksikan, dengan demikian dipilih laju korosi bahan tersebut dan jangka waktu / umur alat tersebut dikehendaki untuk berapa lama, baru bisa menentukan jenis bahan reaktor yang dibuat. Sementara bapak telah menentukan jenis bahan untuk reaktornya, bagaimana penjelasannya? Endro Kismolo Pada kegiatan ini diambil kondisi bahan yang telah diaplikasikan pada unit pengolahan limbah radioaktif (SS.316) dalam menentukan jenis bahan yang digunakan, karena ini untuk melengkapi perangkat yang telah ada. DAFTAR PUSTAKA 1. Sugiharto, 1987, Dasar-dasar Pengelolaan Air Limbah, UI Press, Jakarta. Endro Kismolo, dkk. ISSN 110 8178 Buku II hal 75
LAMPIRAN Dudukan motor pengaduk Umpan masuk Multiplex 18 mm Tangki pengatur ph Kolom filtrasi 68 Besi Siku 3/3 80 Gambar 3. Desain teknis model perletakan perangkat preparator unit pengolahan kimia limbah radioaktif cair (ukuran alat menyesuaikan kapasitas yang ada). Buku II hal 76 ISSN 110 8178 Endro Kismolo, dkk