226 ISSN 0216-3128, dkk. PEMISAHAN ZIRKONIUM-HAFNIUM DENGAN KOLOM SILIKA GEL, Budi Sulistyo, Pristi Hartati Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan BATAN ABSTRAK PEMISAHAN ZIRKONIUM-HAFNIUM DENGAN KOLOM SILIKA GEL Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kondisi optimum dari ukuran kolom dan jumlah silika gel pada pemisahan zirkonium hafnium dengan kolom silika gel. Penelitian ini menggunakan proses dengan kolom silika gel yang terbuat dari gelas dan bahan isian silika gel. Parameter dalam penelitian ini adalah diameter kolom silika dan jumlah silika gel. Caranya mula-mula menyiapkan alat, kemudian menimbang silika gel dengan berat tertentu dimasukkan kedalam kolom. Menimbang ZrO 2 dan HfCl 4 dengan berat tertentu dimasukkan kedalam gelas erlenmeyer. Selanjutnya larutan ZrO 2 dan HfCl 4 dimasukkan kedalam kolom. Setelah waktu tertentu aliran dihentikan dan hasil dianalisis dengan pengaktifan netron. Percobaan divariasi dengan parameter diameter kolom dan jumlah silika gel. Diameter kolom divariasi sebagai berikut: 2,00 cm, 2,50 cm; 3,00 cm; 3,50 cm dan 4,00 cm. Jumlah silika gel divariasi sebagai berikut: 200 gram; 300 gram; 400 gram; 500 gram dan 600 gram. Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: diameter kolom yang optimum pada 3,00 cm dan jumlah silika gel yang optimum pada 500 gram dengan hasil Hf sebesar 3,7744 gram/l atau efisiensi 84,36 %. ABSTRACT THE SEPARATION OF ZIRCONIUM-HAFNIUM WITH SILICA GEL COLUMN. The purpose of this investigation was to know the optimum condition of the column diameter and weight of silica at the separation of zirconium-hafnium with silica gel. In this investigation with the absorption process by silica gel column and the equipment provided by column of absorption and silica filling material. The investigation parameters in this experiment were the weight of silica and column diameter. The experiment was performed firstly seting aparatus and weighed the silica gel and put in the absorber column. Weighed the ZrO 2 and HfCl 4 and put in the erlenmeyer. The solution of the ZrO 2 and HfCl 4 put in the column absorpsion. If the exetle time the rate of solution was stoped and the yield of absorption will be analyzed with neutron activation. The experiment variated by parameters weight of silica and column diameter. Column diameter variated with: 2.00 cm, 2.50 cm; 3.00 cm; 3.50 cm and 4.00 cm. The weight of silica variated with 200 grams; 300 grams; 400 grams; 500 grams dan 600 grams. The result of this investigation could be concluded that the optimum of the column diameter was 3.00 cms and the weight of silica gel optimum 500 gram with absorption of Hf 3.7744 grams/l or the absorption efficiency 84.36 %. PENDAHULUAN P roses pemisahan zirkonium-hafnium dengan kolom silika gel merupakan salah satu proses yang dilakukan dalam proses pengolahan pasir zirkon menjadi zirkon logam (1). Proses pemisahan zirkonium-hafnium dengan kolom silika gel ini merupakan pengembangan proses pemisahan zirkonium hafnium untuk mendapatkan zirkonium bebas hafnium. Proses pemisahan zirkoniumhafnium dengan kolom silika belum banyak dikembangkan karena sebagian besar proses pemisahan zirkonium hafnium dengan menggunakan proses ekstraksi. Demikian juga di Pustek Akselerator BATAN Yogyakarta proses ini belum banyak kembangkan. Pemisahan zirkonium-hafnium dapat melalui beberapa cara antara lain (1) : 1. Pengendapan bertingkat 2. Distilasi bertingkat 3. Kristalisasi bertingkat 4. Dekhlorinasi fase uap 5. Reduksi parsial 6. Ekstraksi bertingkat 7. Ion Exchange 8. Adsorpsi Karena pengadaan silika gel relatif lebih mudah maka akan dikembangkan pemisahan zirkonium hafnium dengan kolom silika gel. Proses
227 ISSN 0216-3128, dkk. pemisahan zirkonium hafnium dengan kolom silika gel dapat dilakukan berdasarkan proses adsorpsi yang terjadi antara silika gel dengan senyawa zirkon maupun hafnium (2). Sehingga dengan adanya perbedaan daya serap antara silika gel terhadap zirkon maupun silika gel terhadap hafnium dapat dipakai sebagai dasar dalam pemisahan ini. Tetapi karena perbedaan ini relatif sangan kecil, maka untuk pengembangan lebih lanjut memerlukan waktu yang relatif lama. Proses adsorpsi biasanya digunakan dalam proses senyawa yang mengganggu dalam proses analisis maupun proses pengolahan limbah (3). Bahan padatan yang digunakan pada proses adsorpsi biasanya mempunyai luas permukaan besar, seperti gugus siloksan (Si-O-Si), silanol (- SiOH) dan Al(OH). Bahan silika gel merupakan salah satu padatan organik yang dapat digunakan untuk keperluan adsorpsi karena memiliki gugus silanol, dan siloksan. Disamping itu senyawasenyawa anorganik yang mempunyai gugus fungsional yang dapat berikatan dengan permukaan padatan anorganik serta mampu menarik ion logam dengan mekanisme ikatan tertentu. Untuk mempertinggi daya silika gel dapat dimodifikasi dengan menambahkan senyawa yang mengandung gugus epoksi yang dapat mengikat gugus silanol pada silika gel sehingga diperoleh ikatan yang lebih stabil. Sisi ikatan ini kemudian direaksikan lagi dengan gugus -NH yang ada pada ligan organik dengan luas permukaan yang lebih besar dan stabil. Senyawa 3-merkapto 1,2,4, triasol (TRZ-8H) dapat digunakan untuk bahan pembentuk tersebut. Metode lain yang digunakan pada peningkatan daya serap adalah dengan pemanasan. Dengan rasio gugus silanol dan siloksan. Bahanbahan yang dapat digunakan untuk proses adsorpsi antara lain: Fullers Earths, Actived Clays, Bauxite, Alumina, Bone Char, Decolorizing Carbons, Gas Adsorben Carbon, Synthetic Polymer Adsorbens dan Silica gel. Dalam proses adsorpsi biasanya mengiktui persamaan Freunlich sebagai berikut (4). n C * = k [(v(co c* )) (1) dengan, k = konstan n = konstante v = volume solute/berat adsorben Co = konstante C * = konsentrasi solute pada saat kesetimbangan Disamping itu juga mengikuti persamaan sebagai berikut: Ls (Y0 Y1 ) = Ss (X1 ) (2) Pada keadaan setimbang * mx n Y = (Y ) 1/n X 1 1 = m Pada waktu mula-mula Xo = 0 Sehingga persamaan menjadi: Ss Y0 Y = 1 Ls (Y 1/n 1 /m) Untuk operasi lebih dari satu tingkat maka Ls (Y0 Y1 ) = Ss1 (X1 ) Ls (Y1 ) = Ss2 (X2 ) Untuk operasi dengan aliran berlawanan arah maka: Ls (Y0 YNP ) = SsX1 XNP + 1) (3) Atau Y 1/n 0 (Y1 ) (Y1 1) 1 = Macam-macam adsorpsi Adsorpsi secara fisika (Physical Adsorption) Jenis adsorpsi ini hampir sama dengan proses kondensasi. Daya tarik cairan terhadap permukaan padatan relatif lemah dan terjadi panas yang menyelimuti selama terjadi proses adsorpsi yang besarnya sama dengan panas kondensasi yaitu sebesar 0,5 sampai 5 kkal/gmol (5). Kesetimbangan antara permukaan padatan dan molekul-molekul gas umumnya cepat dicapai dan mudah bolak-balik. Karena energi yang diperlukan cukup kecil Energi aktivasi untuk adsorpsi fisika umumnya tidak lebih dari 1 kkal/gmol. Ini menunjukkan bahwa tenaga yang melingkupi pada proses adsorpsi ini adalah lemah. Adsorpsi fisika tidak dapat menjelaskan aktivitas katalis dari padatan untuk reaksi antara stabilitas kesetimbangan relatif molekul-molekul, sebab tidak ada kemungkinan yang tereduksi yang berdasarkan energi aktivasi. Reaksi-reaksi dari atom-atom dan radikal bebas pada permukaan kadang-kadang melingkupi energi aktivasi yang kecil dalam hal ini adsorpsi fisik menggunakan hukum tertentu. Juga adsorpsi fisika melayani terhadap konsentrasi dari molekul-molekul pada permukaan. Hal ini sangat penting dalam hal perlindungan reaksi terhadap reaktan dari bahan penyerap secara kimia dan pada reaktan lainnya yang dapat disebut kelompok sebagai penyerap fisika. Dalam kedua hal tersebut dalam suatu sistem reaksi katalis akan mengikuti reaktan secara
, dkk. ISSN 0216-3128 228 fisika. Katalisator dapat dianggap sebagai penyerap secara fisika, jadi semua padatan akan menyerap secara fisika terhadap gas-gas pada kondisi yang memungkinkan walaupun padatan bukan termasuk jenis katalis. Pada secara fisika pengurangan kecepatan seperti suhu adalah meningkat dan umumnya sangat kecil diatas suhu kritis dari komponen penyerap. Hal ini selanjutnya akan membuktikan bahwa secara fisika tidak responsible (begitu berpengaruh) untuk katalis. Adsorpsi fisika tidak tergantung dari bentuk ketidak teraturan permukaan, tetapi tergantung pada luas permukaan tertentu. Walaupun demikian luas dari tidak dibatasi oleh lapisan suatu molekul permukaan padatan, khususnya pada daerah yang dekat dengan suhu kondensasi. Seperti pada lapisan molekul-molekul yang terbentuk pada permukaan padatan, maka proses kondensasi akan semakin cepat. fisika mempelajari juga tentang sifat-sifat fisika nonkatalisator padat. Sehingga kondisi dari permukaan dan distributor yang porous dapat diketahui dari ukuran-ukuran adsorpsi fisika. secara kimia (Chemisorption) Tipe ini sangat spesifik dan dilingkupi oleh kondisi yang lebih kuat dari pada fisika. Menurut Langmuir molekul-molekul bergerak ke ujung permukaan oleh adanya valensi gaya dari beberapa jenis seperti yang terdapat pada atom-atom dalam molekul. Menurut Taylor dengan adanya kimia (chemisorption) ini merupakan kombinasi dari molekul gas dengan permukaan padatan. Karena dengan adanya panas yang tinggi maka adsorpsi tenaga yang dimiliki oleh kimia dari molekul-molekul dapat dibedakan secara mudah. Sejak energi aktivasi yang dipergunakan untuk reaksi melingkupi kimia, maka jumlah energi molekulmolekul dapat diperkirakan lebih rendah dari yang diperlukan untuk melingkupi molekul-molekul saja. Ini sebagai dasar bahwa reaksi kimia merupakan penjelasan terjadinya reaksi kimia pada permukaan suatu padatan. Pada kimia terjadi pengaktifan yang berarti kecepatannya bervariasi dengan suhu yang ditunjukkan pada tenaga aktivasi yang terbatas dalam persamaan Ahrenius. Pada pemisahan antara Zr dan Hf berdasarkan data-data sebagai berikut: titik leleh ZrCl 4 = 437 o C dan titik leleh HfCl 4 = 434 o C,tekanan uap ZrCl 4 pada temperatur 681 o C = 14,20 mm Hg dan tekanan uap HfCl 4 pada temperatur 689 o C = 24,20 mm Hg, kelarutan ZrOCl 2 dalam HCl = 0,33 gramol/liter dan kelarutan HfOCl 2 dalam HCl = 0,15 gramol/liter,energi bebas Zr pada temperatur 500 o C = -39,740 kalori dan energi bebas Hf pada suhu 500 o C = 42,780 kalori, maka dapat dimungkinkan untuk terjadinya pemisahan antara Zr dan Hf dengan proses dengan kolom silica gel dapat dilaksanakan. TATA KERJA Bahan dan Peralatan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: ZrO 2, HfCl 4, Silika Gel dan Etanol. Alat yang digunakan antara lain: satu unit kolom silika gel, timbangan elektronik, ayakan dan alat analisis APN. Cara Kerja Merangkai alat sesuai dengan rencana. Menimbang silika gel dengan berat dan ukuran tertentu dimasukkan dalam kolom Menimbang ZrO 2 dan HfCl 4 dengan berat tertentu dimasukkan dalam Erlenmeyer Melarutkan ZrO 2 dan HfCl 4 dengan alkohol dan HNO 3 Memasukkan larutan ZrO 2 kedalam tempat pengumpan. Membuka kran pemasukan umpan dengan kecepatan tertentu. Mengamati dan menapung hasil. Menganalisis hasil dengan APN. Menghitung kadar Zr dan Hf dalam larutan hasil. Melakukan percobaan seperti diatas dengan variasi sebagai berikut: diameter 2,00 cm 2,50 cm; 3,00 cmdan 3,50 cm. Percobaan dengan parameter jumlah silica: 200 gram; 300 gram; 400 gram; 500 gramdan 600 gram. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Parameter diameter kolom silika gel Kadar Hf 4,00 gram/l, suhu 28 o C, Volume umpan 500 ml, kecep umpan 38 cc/men, ukuran butir silica 3,0 mm, waktu 30 menit. Dari tabel 1 terlihat bahwa pada
229 ISSN 0216-3128, dkk. mula-mula naik kemudian turun. Pada ukuran diameter kolom 2,00 cm memberikan hasil Hf sebesar 2,8326 gram/l. Kemudian pada ukuran diameter kolom 3,00 cm memberikan hasil Hf sebesar 3,7744 gram/l hal ini disebabkan karena pada ukuran diameter kolom tersebut masih mengalami peningkatan terjadinya Hf dengan silika gel. Karena adanya penambahan luas permukaan dari silica gel yang sangat berpengaruh dalam Hf. Pada diameter 2,00 3,00 masih ada keseimbangan antara luas muka silika gel yang ada dalam kolom dengan kecepatan alir cairan sebesar 138 cc /men sehingga cairan yang ada dalam kolom dapat terdistribusi merata kesegala permukaan bahan isian silika gel sehingga dapat lebih sempurna. Tetapi setelah ukuran diameter kolom mencapai 3,50 cm hasil mengalami penurunan sehingga menjadi sebesar 2,9629 gram/l. Hal ini disebabkan karena pada ukuan diameter kolom 3,50 cm banyak cairan yang langsung mengalir kebawah karena kecepatan alir tidak seimbang dengan luas muka silika gel, atau dengan jumlah massa tetap dan diameter tambah besar maka panjang kolom efektif semakin kecil sehingga banyak Hf yang tidak dapat terserap lagi oleh silika gel secara keseluruhan dan hasil tidak bertambah lagi. Jadi kondisi yang optimum dicapai pada ukuran diameter kolom 3,00 cm dengan memberikan hasil Hf sebesar 3,7744 gram/l atau 84,36 %. Tabel 1.Hubungan antara diameter kolom dengan kadar Hf dan efisiensi No Diameter kolom ( cm) Kadar Hf dalam larutan hasil (g/l) Hasil Hf (gram/l) Efisiensi Hf (%) 1 2,00 1,1674 2,8326 70,81 2 2,50 1,1457 2,8543 71,35 3 3,00 0,6256 3,7744 84,36 4 3,50 1,0371 2,9629 74,07 2. Parameter jumlah silika gel Diameter kolom 3,00 cm; volume umpan 500 ml; suhu: 28 o C, waktu 30 menit, kecepatan alir umpan 138 cc/men, diameter kolom 3,00 cm, kadar Hf 4,00 gram/l, ukuran butir silica 3,0 mm. Dari tabel 2 terlihat bahwa pada jumlah silika 200 gram sampai dengan 600 gram memberikan hasil grafik yang mula-mula naik kemudian turun. Pada jumlah silika 200 gram memberikan hasil sebesar 2,7658 gram/l Kemudian pada ukuran diameter kolom 500 cm memberikan hasil Hf sebesar 3,7744 gram/l hal ini disebabkan karena pada jumlah silika tersebut masih mengalami peningkatan terjadinya Hf dengan silika gel. Hal ini juga dipengaruhi oleh penambahan silica yang semakin banyak maka hasil Hf juga semakin banyak pula. Jadi jumlah silika sebesar 500 gram merupakan kondisi yang optimum karena setelah jumlah silica mencapai 600 gram maka Hf mengalami penurunan menjadi 3,0657 gram/l. Hal ini disebabkan karena pada jumlah silika 600 gram sudah mulai terjadi kejenuhan sehingga banyak Hf yang tidak dapat terserap lagi oleh silika gel sehingga hasil sudah mulai menurun. Jadi kondisi yang optimum dicapai pada jumlah silika 500 gram dengan memberikan hasil Hf sebesar 3,7744 gram/l atau efisiensi sebesar 84,36 %. Tabel 2.Hubungan antara jumlah silika gel dengan kadar Hf dan efisiensi No Jumlah silika gel (gram) Kadar Hf dalam larutan hasil (g/l) Hasil Hf (gram/l) Efisiensi Hf (%) 1 200 1,2342 2,7658 69,14 2 300 1.1324 2,8676 71,69 3 400 1,0954 2,9046 72,61 4 500 0,6256 3,7744 84,36 5 600 0,9343 3,0657 76,66 KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa penelitian dengan judul pemisahan zirkonium-hafnium dengan kolom silika gel dapat dilakukan dengan baik. Parameter diameter kolom dan jumlah silika gel berpengaruh dalam proses ini. Untuk Parameter diameter kolom, optimum pada ukuran diameter kolom 3,00 cm dengan memberikan hasil Hf sebesar 0,6256 gram/l atau efisiensi sebesar 84,36 %. Sedangkan untuk parameter jumlah silika optimum pada jumlah silika 500 gram dengan memberikan hasil Hf sebesar 3,7744 gram/l efisiensi sebesar 84,36 %. UCAPAN TERIMA KASIH Dengan selesainya penelitian ini maka penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak terutama Sdr. Paryadi Amd dan Kelompok analilisis Sdr. Mulyono dan Iswantoro Amd. yang telah banyak memberikan bantuan sehingga selesainya penelitian ini.
, dkk. ISSN 0216-3128 230 DAFTAR PUSTAKA 1. BUNJAMIN LUSTMAN AND FRANK KERZE, JR. The Metalurgy of zirconium. First Edition, Mic Graw Hill Book Company, New York. 1955. 1. MILLER GL. Metalurgy of the rarer metals., Butterworts Scientific Publication, London, 1957. 2. FAHMIATI. DKK. Kajian Kinetika Adsorpsi Cd (II) dan Mg (II) pada Silika Gel Al chemy Vol 3 No 2 September 2004 22 28. UNS Surakarta. 3. SMITH M. Chemical Engineering Kinetic International Student Edition, Second Edition, Mc. Graw Hill Kogakusha Ltd, Tokyo, 1970. 4. TREYBAL R.E Mass Transfer Operation International Student Edition, Tird Edition, Mc. Graw Hill Kogakusha Ltd, Tokyo, 1970 TANYA JAWAB Indra Suryawan Efisiensi baru dicapai 84,3 % dengan diameter kolom 3 cm, usaha untuk menaikkan efisiensi dilakukan dengan parameter lain apa mungkin? Mungkin masih dapat ditingkatkan efisiensinya karena pengaktifan silika gel dengan berbagai senyawa belum dilakukan. Triyono Berapa suhu maximal yang diperlukan pada proses pemisahan Zirconium Hafnium dengan kolom Silika Gel? Suhu maksimal yang diperlukan pada proses pemisahan ini masih dalam penelitian lebih lanjut. Untuk saat ini perlu dilakukan pada suhu kamar. A.N. Bintarti Apakah alasan pemilihan pemisahan menggunakan kolom silika gel? Karena kolom silika gel masih memenuhi syarat untuk pemisahan. Disamping itu pengadaan kolom silika gel lebih mudah diperoleh. R. Subagiono Judul adalah pemisahan Zr Hf, dalam hasil penelitian ternyata hanya ditampilkan adsorbsi Hf-nya saja, bagaimana cara mengetahui pemisahan Zr terhadap Hf? Biasanya untuk melakukan pemisahan dengan adsorbent digunakan bahan kimia yang bersifat sebagai eluen, apakah ada eluen yang bisa dipakai disini? Pemisahan terhadap Zr sebenarnya sudah dilakukan tetapi belum dibahas secara mendalam hanya ditampilkan datanya saja yaitu penurunan kadar Zr dari 0,441 gr/l menjadi 0,365 gr/l. Eluen yang digunakan adalah etanol.