DEKONTAMINASI LlMBAH SIMULASI ALFA DENGAN METODE ELEKTROLISISdigilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/HSL PENEL P2PLR TH...aktivilas lebih kurang 1000 Sq. Percobaan dilakukan

DEKONTAMINASI LlMBAH SIMULASI ALFADENGAN METODE ELEKTROLISIS

Mulyono DaryokoPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif-BATAN, Serpong

ABSTRAKDEKONTAMINASI L1MBAH SIMULASI ALFA DENGAN METODE ELEKTROLISIS. Telah dilakukan penelitian

untuk mempelajan dekontaminasi Iimbah slmulasi a dengim metode elektrolisis. Limbah simulasi yang dimaksudadalah lempengan baja tahan karat berukuran 15 mm x 15 mm x 0,3 mm, yang terkontaminasi uranium denganaktivilas lebih kurang 1000 Sq. Percobaan dilakukan pada sel elektrolisis elektroda Pt-Pt dengan larutan anolyta 4MHNO~O,5M AgNOJ dan larutan catholyta 13M HNOJ• Dan penelitian ini didapat kesimpulan bahwa metoda elektrolisisini sangat efektif untuk menangani limbah u. Pad a kondisi operasi elektrolisis: arus 10 A, temperatur anolyta 25°C dankecepatan pengadukan 1000 rpm, harga faktor dekontaminasi yang diperoleh adalah lebih kurang 100 pada waktu 30menit, lebih kurang 280 pada waktu 60 menit, lebih dari 2200 pad a waktu 120 menit, dan lebih dan 4000 pad a waktu180 menit.

ABSTRACTDECONTAMINA nON OF ALPHA SIMULA TED WASTE BY ELECTROL Y17C METHODS. Decontamination of a

simulated waste by eleclrolytic methods has been investigated. The a simulated waste was stainless steel specimensof 15 mm x 15 mm x 0.3 mm by dimension, which was contaminated with uranium and the activity was about 1000 Sq.On the operating condition of electrolytic as follows: the current at 10 A. the temperature at 25"C and the stirring speedat 1000 rpm, the experiment used pt-Pt electrochemical oxidation cell, solution of 4M HNO:lO.5M AgN03 as anolyte,and solution of 13 M HN03as catholyte. The results showed that the electrolytic oxidation method was very effectivefor decontaminating a waste. The decontamination factors were about 100 at 30 minutes, 280 at 60 minutes, above2200 at 120 minutes, and above 4000 at 180 minutes.

seiring dengan perkembangan ditemukannyabeberapa bahan elektrode dan bahanmembran serta inovasi-inovasi metode teknikkimia. Keuntungan-keuntungan lain yangdiperoleh dari teknik ini adalah dapatdioperasikan pada temperatur rendah, cacokdikembangkan dengan menggunakanproses kontinyu dan dapat divariasikan padadaerah pH yang besar (1 - 14)(1),

Teknik elektrolisis untuk dekontaminasiIn! dapat dilaksanakan dengan metodeoksidasi secara langsung dan secara tidaklangsung. Yang dimaksud secara langsungialah apabila limbah yang dioksidasi,langsung digunakan sebagai salah satuelektrode (disebut electropolishing).sedangkan disebut secara tidak langsung,jika poda oksidasi ini menggunakan mediasebagai katalisator2,3).

Beberapa mediator yang telah suksesditerapkan pada teknik ini adalah serium,kobal, dan perak, dengan potensial oksidasi(di dalam 4M HN03) seperti berikut(2,3,4):

PENDAHULUAN

Bahan-bahan padat yang terkontaminasiex (a bearing waste), misalnya wadah-wadahbahan bakar bekas, gloves, filter, dansebagainya, baik berupa logam, plastik, karetdan selulose selalu ditimbulkan, akibatberoperasinya fasilitas-fasilitas reaktor riset,PLTN, proses oJah ulang bahan bakar bekas,pabrik bahan bakar dan lain-lain. Bahan­bahan tersebut, baik dalam rangka untukpenyimpanan akhir (ultimate waste disposal),daur ulang (recycle) maupun untukdigunakan kembali (reuse) harus diusahakansedapat mungkin hanya mengandungkontaminasi ex seminimal mungkin atau dibawah clearance level. Untuk itu harusdilakukan dekontaminasi.

Beberapa pilihan metoda dekontamlnasiharus didasarkan hal-hal sebagai berikut:bentuk kimia dan fisika radionuklida yangakan dihilangkan, jenis bahanterkontaminasi, jenis korosivitas bahan,faktor dekontaminasi yang diinginkan,dilimbahkan, didaur ulang atau digunakankembali, kemudahan pengolahan limbahsekunder yang ditimbulkan serta keamanandan keselamatan selama operasi.Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan diatas, dekontaminasi secara elektrolisismenggunakan media merupakan pilihanterbaik. Metode ini terus dikembangkan,

127

Ce+3 ~ Ce+4+ e- Eo = 1,61 V

Co+2 ~ Co+3 +e- Eo=1,82V

Ag+ ~ Ag+2+ e- Eo = 1,98 V

Pemakaian media perak yangmempunyai potensial oksidasi paling tinggi

(1)

(2)

(3)

sudah tentu adalah yang paling efektifdibandingkan dengan media yang lain.

Pada oksidasi elektrolisis dengan mediaperak dan pengembannya asam nitrat, Ag+2akan dibangkitkan oleh reaksi elektrolisis dianode melaJui reaksi perpindahan elektronsebagai berikut(2.3.4):

2 Cr203 + 8 Ag+2 -)0

4 Cr+2+ 3 O2 + 8 Ag+

NiFe04 + 6 Ag+2-)o

Nt2 + 2 Fe+2+ 202 + 6 Ag+

(16)

(17)

Ag+-)oAg+2+ e" (anode) (4)

2H++N03°+e--)o N02+H20 (katode) (5)

4H++N03-+3e°-)o NOx+2H20 (katode) (6)

Penelitian-penelitian yang berkaitandengan dekontaminasi elektrolisis terhadaplimbah plutonium telah banyak dilakukan(2,3.4), dan menunjukkan bahwadekontaminasi ini mempunyai prospek yangsang at baik. Reaksi yang terjadi pada

oksidasi Af2 terhadap PU02 akan menjadiion-ion Pu+ $bb( 5):

Reaksi-reaksi tersebut bahkan didugalebih dominan di dalam prosesdekontaminasi limbah simulasi a di atas,karena kontaminasi uranium baik yangterdapat di lapisan permukaan maupun yangterjebak di dalam crud, akan ikut larut pulabersama-sama dengan Fe, Cr dan Ni dalamlogam baja tahan karat.

Oleh karena itu untuk mencari kondisioperasi yang representatif dari sel elektrolisisini dilakukan percobaan simulasi baja tahankarat tidak terkontaminasi.

TAT A KERJA

Dalam penelitian ini limbah simulasi ayang digunakan terkontaminasi uranium.Reaksi dari Ag+2 dengan U02 , akanmenjadi U02 +2 ion yang larut, mirip denganreaksi (8), (9) dan (10) sebagai berikut:

Disamping reaksi-reaksi di atas, terjadipengikisan pad a permukaan baja tahankaratnya. Pada reaksi ini Ag+2 yangdihasilkan juga akan mengoksidasi oksida­oksida besi, krom dan nikel menjadi ion-ionyang larut,

Fe304 + 6 Ag+2 -)0

3Fe+2+202+6Ag+ (14)

2Fe203 + 8 Ag+2-)o

4Fe+2+ 3 O2 + 8 Ag+ (15)

Ag+-)oAg+2+ eO

PU02(s)+ Ag+2-)0 PU02++ Ag+

(di ano/yte)

PU02++ Ag +2-)0 PU02+2+ Ag+

PU02(S) -)0 PU02+2+ 2 eO

U02(s) + Ag+2 -)0 UO/ + Ag+

(di dalam ano/yte)

U02+ + Ag+2-)o U02+2+ Ag+

U02(s)-)o UO/2 + 2e-

(7)

(8)

(9)

(10)

(11 )

(12)

(13)

128

BahanBahan yang diuji adalah lempengan baja

tahan karat ss-304. Pada percobaanpenentuan kondisi operasi bahan tersebuttidak dikenakan apapun, kemudian padapercobaan berikutnya dilakukan preparasiterhadap bahan tersebut. Untuk larutanelektrolit digunakan ano/yte 4M HNOy' O,5MAgN03 dan catho/yte 13M HN03.

Alat

Alat utama yang dipakai adalah selelektrolisis yang terbuat dari gelas dan teftonseperti terlihat pada Gambar 1. Sel tersebutdibagi menjadi kompartemen anode dankompartemen katode yang dibatasi dengansuatu membran, dan dilengkapi dengananode dan katode platinum dan pengadukdari tefton. Temperatur larutan ano/yte didalam kompartimen anode diukur dengantermometer dan dlkontrol dengan sistempenukar panas. Pada alat tersebutdilengkapi juga dengan lubang untukmengambil sam pet.

MetodePenentuan kondisi operasi

Mula-mula ano/yte 4M HNOy' O,5MAgN03 dan catho/yte 13M HN03 dimasukkanke dalam kompartemen anode dankompartemen katode sel elektrolisis. Untukmemilih kecepatan pengadukan yang akandigunakan, lempengan-Iempengan bajatahan karat 5s-304 sebanyak 100 buahdimasukkan ke dalam sel tersebut,

tcrmomclcr

pcngaduk

pcngaduk

mcmbran

Air kch)ar

--~

Air

masuk

Clllh()~)'lc ilIlIO/l'lc

Gambar 1. Alat Elektrolisis

Pcnukar

panas

kemudian sel dibangkitkan dengan aruselektrolisis 10A, temperatur 2SoC dankecepatan pengadukan divariasi SOD, 1000dan 1200 rpm. Konsentrasi dari Fe, Ni danCr salama elektrolisis dlanalisis dengan alatICP-MS. Percobaan ini dilakukan selamawaktu 90 men it, dimana kecenderungan lajupelarutan oksida-oksida Fe, Cr dan Ni sudahdianggap tetap. Dengan cara yang samadilakukan percobaan dengan variasitemperatur 10, 15 dan 2SoC.

Preparasi Contoh(5)Pad a percobaan simulasi limbah a,

sebelumnya dilakukan preparasi contohseperti berikut: mula-mula masing-masinglempengan baja tahan karat yang telahdisiapkan diberi label, kemudian dibersihkan

129

dengan alkohol di dalam bak ultrasonik.Selanjutnya dibersihkan dengan air bebasmineral, dikeringkan, dan berikutnyadisensitifikasi. Sensitifikasi dilakukan dengancara pemanasan pada suhu tinggl danelektrolisis. Mula-mula contoh dipanaskandengan temperatur 677DC selama 1 jam.Proses ini dimaksudkan untukmenghilangkan karbida dan krom pada pori­porinya. Berikutnya dilakukan elektrolisisdengan 1,16M asam oksalat, densitasarusnya 1mNcm2, waktu 1,S menit. Prosesini dimaksudkan untuk membentukkorosivitas di seluruh pori-pori yang terjadi.Setelah itu contoh dibersihkan dengan airbebas mineral dan dikeringkan. Untukmengkontaminasi contoh, mula-mula contohdipanaskan dengan hot plate pada suhu

menjadi 1200 rpm tidak ada perubahan(Iebih kurang 305 mg/l). Ini berarti bahwakecepatan pengadukan 1000 rpm sudahcukup untuk peralatan ini. Kecukupanbesarnya kecepatan pengadukan sang atdipengaruhi oleh disain dari peralatan yangdigunakan. Pada Tabel 1 menunjukkanbahwa temperatur 25°C dapat diterapkanpada percobaan berikutnya. Hal ini

. dijelaskan karena faktor kecepatan reaksi:

dimana kenaikan temperatur akanmemperbesar kecepatan terjadinya Ag+2, danberikutnya akan memperbesar terjadinya lajupelarutan oksida-oksida Fe, Cr dan Ni didalam logam baja tahan karat (dari 251 mg/l

pad a 1DoC menjadi 355 mg/l pad a 25°C).Oleh karena itu kondisi operasi yang akandigunakan untuk percobaan selanjutnyaadalah kecepatan pengadukan 1000 rpm dantemperatur 25°C.

Pada dekontaminasi limbah baja tahankarat terkontaminasi uranium ini harga faktordekontaminasi yang didapat sepertiditunjukkan pada Tabel 2 sangat memadai,yaitu bisa mencapai harga 100 pada waktu30 men it, 280 pad a waktu 60 men it, di atas2200 pada waktu 120 men it, dan di atas4000 pada waktu 180 menit. Keefektifandekontaminasi ini di sam ping disebabkanoleh oksidasi dari Ag+2, ion-ion uraniumsebetulnya juga langsung dibangkitkan oleharus elektrolisis di anode. Ini terjadi bilamanamedia yang digunakan mempunyai potensialelektrode yang lebih besar dari potensialelektrode reaksi peruraian ion-ion uranium.Seperti disebutkan pada reaksi (3) potensialelektrode Ag+ menjadi Ag+2 adalah 1,98;sedangkan potensial elektrode U bisadisimilarkan dari potensial elektoda Pu,seperti berikut(5):

aOOG, kemudian sebanyak .1,16 g/l larutanuranium (10% U-235, 232,3 g/l yangdiencerkan 200X) diteteskan ke permukaancontoh dengan pipet dan kemudian diuapkansecara alami. Berikutnya untuk membentuklapisan film oksida, contoh dipanaskan pad asuhu 200°C selama 10 menit (untukmenghilangkan dehidrasi), kemudiandipanaskan pad a suhu 700,°C selama 6 jam.

Dekontaminasi

Setelah anolyte dan catholytedimasukkan ke dalam kompartemen anodedan kompartemen katode sel elektrolisis,contoh-contoh yang telah dicacahdimasukkan ke dalam larutan anolytetersebut. Contoh-contoh tersebut dilengkapidengan tali-tali untuk mempermudahpengambilan pada waktu yang diinginkan.Kondisi proses yang digunakan berdasarkanyang diperoleh dari percobaan sebelumnya.Setelah proses berlangsung selama 10menit, sebanyak 3 contoh diambil darianolyte. Pengambilan contoh dilakukan jugasetelah proses berlangsung selama 30, 60,120 dan 180 menit. Contoh-contoh yangtelah diambil pada waktu yang divariasiterse but, dicacah dengan a ScintillationCounter.

HASIL DAN PEMBAHASANPada Tabel 1 dapat dilihat bahwa

pengaruh kecepatan pengadukan dari 500rpm menjadi 1000 rpm memberikanperubahan terhadap pelarutan Fe, Cr dan Nisangat signifikan, yaitu dari 306 mg/l menjadi355 mg/l. Hal ini disebabkan karenakecepatan pengadukan 500 rpm belummempunyai tenaga yang cukup untukterjadinya difusi, baik difusi Ag+ kepermukaan anoda untuk dibangkitkanmenjadi Ag+2 maupun difusi dari Ag+2 kePQrmukaan bahan. Di sisi llilin kenliJikanpelarutan Fe, Cr dan Ni dari 1000 rpm

k ::: Ae-EaJRT(6) (18)

--. -------.Run TemperaturArus,Kec.peng., m~ II

°CamperrpmFeCrNitotal

1251010002652664355

2151010002132351287

3101010001851947251

4

251050023122593065

2510100026526643556

251012002672660353Tabel1. p, t, kondi' .

130

Tabel 2. Faktor Dekontaminasi limbah (1 simulasi

waktu, menit

3060120180

FD

1002802200 sId 004000 sId 00

Reaksi-reaksi di atas dianggap mempunyaipotensial elektrode-potensial elektrode yangmendekati dengan reaksi-reaksi sebelumnya.Hal yang lain lagi adalah bahwa padaoksidasi elektrolisis ini, tidak hanya uraniumyang teroksidasi, tetapi juga badan bajatahan karatnya, seperti dijelas pada reaksi 14-17.

KESIMPULAN

Dari penelitian ini didapat kesimpulanbahwa metode elektrolisis sangat efektifuntuk menangani limbah (1. Harga faktordekontaminasi yang diperoleh padapercobaan ini, temperatur 25°C, aruselektrolisis 10A dan kecepatan pengadukan1000 rpm adalah lebih kurang 100 padawaktu 30 menit, lebih kurang 280 pada waktu60 manit, di atas 2200 pada waktu 120men it, dan di atas 4000 pada waktu 180menit.

PU02 ~ PU02++ eO Eo = 1,58 V

PU02 ~

PU02+2 + 2eoEo = 1,24 V

PU02+~

PU02+2+ eOEo = 0,9164 V

Untuk U02

U02 ~ U02+ + eO

U02 ~ U02+2 + 2e

U02+-> U02+2+ e

(19)

(20)

(21 )

(22)

(23)

(24)

131

DAFT AR PUST AKA

1. SUKIGAWA, S., UMEDA. M., "AlphaBearing Waste Treatment byElectrochemical Oxidation Technique",Safewaste 2000 (2000).

2. RYAN, J. L., BRAY, L. A.,WHEELWRIGHT, E. J., "CatalyzedElectrolytic Plutonium Oxide Dissolution(CEPOD)", PNL, Richland (1982).

3. BRAY, J. L., RYAN, L. A., WHEELWRIGHT, E. J. "Electrochemical Processfor Dissolving Plutonium Dioxide andLeaching Plutonium from Scrap onWastes", AICE, Miami, Florida (1986).

4. RYAN, J. L., BRAY, L. A.,WHEELWRIGHT, E. J., BRYAN, G. H.,"Catalyzed Electrolytic Plutonium OxideDissolution", Paper Presented at theInternational Symposium to Comm. 50th

Anni. of Transuranium Elements,Washington, DC(1990).

5. MERTZ, C., ET.AL., "DECON-TAMINATION OF ACTINIDES andFISSION PRODUCTS from STAINLESSSTEEL SURFACE, The SubmittedManuscript has been Authored by aContractor of the U.S. Government underContract no. VV-31-109-Eng-3.

6. ACHMAD, H., "Elektrokimia danKinetika", PT. Citra Aditya Bakti,Bandung (1992).

7. DARYOKO, M., "Pembangkitan Ag+2pad a Dekontaminasi Elektrokimia",Prosiding pada Seminar NasionalPenelltian Dasar IImu Pengetahuan denTeknologi, P3TM, BATAN, Yogyakarta(2002).