KECEPATAN PELARUTAN BAJA TAHAN KARAT PADA …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Lingkungan/P3TM-Juli... · KECEPATAN PELARUTAN BAJA TAHAN KARAT PADA DEKONTAMINASI ELEKTROKIMIA

Mlllyollo Daryoko ISSN 0216 - 3128 167

KECEPATAN PELARUTAN BAJA TAHAN KARAT PADADEKONTAMINASI ELEKTROKIMIA DENGAN LARUTANMEDIA PERAK NITRA T

Mulyono DaryokoPusat Pellgemballgall Pellgelolaan Limball Radioaktif BA TAN, Serpong.

ABSTRAK

KECEPATAN PELARUTAN BAJA TAHAN KARAT PADA DEKONTAMINASI ELEKTROKIMIA

DENGAN LARUTAN MEDIA PERAK NITRAT. Telall dilakukan pene/itiall untuk mempelajari

kecepatall pelamtall oksida-oksida besi, krom dall lIikel di dalam baja tahan karat dengan dekontalllillasielektrokimia. Percobaall dilakukall pada sel elektrolisis elektroda Pt-Pt dellgan lamtall anolyte 4MHNO/O.5M AgNO .• dan larntall catolyte 13M HNO .•. Ballall yallg didekolltalllillasi adalan lempellgan­lempellgall baja tallan karat dellgall ukurall 15X 15 cm. sebanyak 100 buall pada lIlasillg-masillgpercobaall. Pemball yallg dipelajari pada pellelitiall illi adalall ams elektro/isis dall sullu. Ams elektrolisis

dil'Griasi pada 3. 5 dan IDA dellgall suhu dall kecepatall pengadukan dibuat tetap, masing-masillg 25 'C dall1000 rpm. Sullll divariasi pada 10. 15 dall 25'C, dellgan arus elektro/isis dan kecepatan pengadukalldibuat tetap. IDA dan 100 rpm. Lama elektrolisis masillg-masing percobaan adalah 90 mellit. Daripellelitiall ini didapat kesimpulan balllva kecepatall pelarntall oksida-oksida besi. krom dall nikel di dalambaja tallall karat semakill bertambah dellgall kenaikall arus elektro/isis maupull kellaikall suhu. Jumlahoksida-oksida hesi. krom dan lIikel yallg dilamtkall selama 90 mellit, pada kOlldisi arus elektrolisis IDA,

sri/Ill 25 'C dall kecepatan pellgadukall 1000 rpm adalah 3.4263 g.

ABSTRACT

TIlE DISSOLUTION RATE OF STAINLESS STEEL IN THE ELECTROCHEMICAL

DECONTAMINATION BY SILVER NITRATE FOR MEDIATED SOLUTION. The dissolution rates ofiroll.chrome alld lIickel oxides in the stailliess steel by all electrochemical decontamillatioll has beell illvestigated.The experiment used Pt-Pt electrochemical oxidation cell, solution of 4M HNO/0.5M AgNO .• as anolyte.alld solution of 13M HNO .•as catolyte. The decontamillation tests using 100 stainless steel specimell of15X 15 cm by dimension. The parameters investigated were electrolytic currellt alld temperature. Theelectrolytic currelll was varied at 3, 5 alld IDA. where the stirring speed alld temperature were maintained

at !OOOrpm alld 25 'C, respectively. Afterwards the depelldellcyofthe temperature was examilled at 10. 15

alld 25 'C. ill the electrolytic currellt alld the stirrillg speed at IDA and 1000 rpm. The electrolytic processfor each experimellt was rull for 90 millllles. The results show that the dissollllioll rates of iroll, chrome andlIickel oxides ill the stainless steel illcrease with all illcrease of electrolytic currellt alld temperature. Thetotal dissolutioll of iroll, chrome alld lIickel oxides at time 90 mill utes. the electrolysi.\· current lOA. thetemperature 25 'C and the stirrillg speed 1000 rpm are 3,4263 g,

PENDAHULUAN

Pengolahan limbah dengan metode elektrokimiaterus dikembangkan, seiring denganperkembangan ditemukannya beberapa bahane1ektroda dan bahan membran serta inovasi-inovasi

metode teknik kimia. Keuntungan-keuntunganyang diperoleh dari teknik ini adalah limbahsekunder yang terjadi re1atif kecil, dapatdiopcrasikan pada tcmperatur rendah, coeokdikembangkan dengan menggunakan proseskontinyu dan dapat divariasikan pad a daerah pHyang bcsar (0 sid 14/1).

Teknik elektrokimia ini dapat diaplikasikanuntuk pengolahan limbah, baik limbahkonvensional maupun limbah radioaktif, terlllasukdekontalllinasi. Dekontaminasi Illerupakan bagian

dari pengolahan limbah radioaktif yangdimaksudkan sebagai teknik untuk mengurangi ataumenghilangkan radionuklida pada bahan yangterkontaminasi, baik untuk tujuan pemakaiankembali maupun untuk dilimbahkan. Teknikelektrokimia untuk dekontaminasi ini dapatdilaksanakan dengan metode oksidasi secaralangsung dan secara tidak langsung. Yangdimaksud secara langsung ialah apabila limbahyang dioksidasi, langsung diberlakukan sebagaisalah satu elektroda (disebut electropolishing),

scdangkan disebut seeara tidak langsung, jika padaoksidasi ini menggunakan media sebagaikatalisator(2.3).

Beberapa mediator yang telah suksesditerapkan pad a tcknik ini adalah cerium, cobalt

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM·BATAN Yogyakarta, B Juli 2003

dan perak, dengan potensial oksidasi (di dalam 4MHN03) seperti berikut(2,3,4):

168 ISSN 0216 - 3128

-- Mulyono Daryoko

Ce+3 ~ Ce+4+ e' Eo = 1,61 V(1)

Co+2 ~ Co+3 + e'

Eo = 1,82 V(2)

Ag+

~ Ag+2+ e' Eo = 1,98 V(3)

Pemakaian media perak yang mempunyai potensialoksidasi paling tinggi sudah tentu adalah yangpaling efektif dibandingkan dengan media yanglain.

Pada oksidasi elektrokimia dengan mediaperak dan pengembannya asam nitrat, Ag+2 akandibangkitkan oleh reaksi elektrolisis di anodemelalui reaksi perpindahan elektron sebagaiberikut(2.3.4.5):

Ag+~ Ag+2 + e- (anode) (4)

2H++N03'+e'~ N02+H20 (katode) (5)

4H++N03'+3e'~ NOx+2H20 (katode) (6)

Pada dekontaminasi elektrokirnia, Ag+2 di dalamano/yte akan mengoksidasi bahan-bahan yangdidekontarninasi, baik kontarninannya maupunbahannya itu sendiri ..

Pada penelitian dekontaminasi elektrokimiaini akan dipelajari seberapa jauh oksidasi dari Ag+2terhadap oksida-oksida yang terdapat di dalamlogam baja tahan karat. Pengikisan unsur-unsuryang terdapat di dalam suatu bahan ini merupakansalah satu hal yang sangat penting di dalamdekontarninasi. Kecepatan pengikisan logamtersebut tergantung pada besamya arus elektrolisis,suhu ano/yte, kecepatan difusi Ag+2 ke elektrode,jenis dan konsentrasi larutan yang terdapat pad aanode dan katode serta disain dari alat elektrolisistersebut(I,5). Pengaruh besamya arus elektrolisisserta suhu allo/yte terhadap kecepatan pelarutanlogam baja tahan karat, akan dipelajari dalampenelitian ini.

TATA KERJA

Balian yang digunakan

Bahan yang diuji adalah lempengan logambaja tahan karat SS-304 sebanyak 100 buah (setiappercobaan), dimensi 15 x 15 mm sebagai simulasidaTi limbah yang didekontaminasi. Bahan tersebutdimasukkan ke dalam al/ol)'te.

A/at yang diglillakall

Alat utama yang dipakai adalah selelektrokirnia yang terbuat daTi gelas dan tetlonseperti terlihat pada gambar I.

Gambar 1. Alat Elektrokimia

Sel tersebut dibagi menjadi kompartimenanode dan kompartimen katode yang dibatasidengan suatu membran, dan dilengkapi dengananode dan katode platinum dan pengaduk daritetlon. Sel tersebut diisi dengan anolyte 4MHN03/O.5 M AgN03 dan catholyte 13M HN03.Suhu larutan anolyte di dalam kompartimen anodediukur dengan tennometer dan dikontrol dengansistem penukar panas. Pada alat tersebut dilengkapijuga dengan lubang untuk mengambil sampel.

Metode

Setelah allolyte dan catolyte dimasukkan kedalam kompartimen anode. dan kompartimen

katode sel elektrolisis, untuk mempelajaTi pengaruh

arus elektrolisis terhadap pelarutan oksida-oksidaFe, Cr dan Ni, lempengan-Iempengan baja tahan

karat SS-304 sebanyak 100 buah dimasukkan kedalam sel tersebut, kemudian sel dibangkitkandengan arus elektrolisis 3, 5 dan lOA, sedangkan

suhu dan kecepatan pengadukan masing-masing25°C dan 1000 rpm. Konsentrasi dari Fe, Ni dan Crselama elektrolisis dianalisis dengan alat /CP-MS.Percobaan ini dilakukan selama waktu 90 menit,

dimana kecenderungan laju pelarutan oksida-oksidaFe, Cr dan Ni sudah dianggap tetap. Untuk

mempelajari pengaruh suhu, suhu divariasi 10, 15dan 25°C, sedangkan arus elektrolisis dan

kecepatan pengadukan masing-masing 5A dan 1000rpm.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Jull 2003

Mulyollo Daryoko

HASIL DAN PEMBAHASAN

350

ISSN 0216 - 3128

Q = jumlah muatan listrik, coulombAln = masa ekivalenA = masa atom

n = perubahan dalam bilangan oksidasiF = bilangan Faraday, 96500 coulomb

169

waktu, menit

300

150

EDo

Do 100

aiDo 150Uell~

100

50

D_O

---.- 3A-+- SA_lOA

10 •• 10 100

Tabel 1. Pengaruh arus elektrolisis terhadappembangkitan Ag +2(6)

Waktu, Ag+2,molmenit

3A5AlOA0

0001

0,0030,00420,00713

0,00870,001320,002355

0,001360,002540,003910

0,002540,004440,0069115

0,003580,005820,0079830

0,005770,007700,0082260

0,006590,007770,0076490

0,006520,007570,00746

Gambar 2. Pengaruh arus elektro/isis terhadapkecepatan pelarutan

Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwakenaikan arus elektrolisis berpengaruh linierterhadap kenaikan besamya laju pelarutan oks ida­oksida Fe, Cr dan Ni. Reaksi yang terjadi padapelarutan oksida Fe, Ni dan Cr di dalam baja tahankarat adalah sebagai berikut :

Ag+~ Ag+2+ e- (anode) (4)

2H++NOJ-+e-~ N02+H20 (katode) (5)

4H++NOJ·+3e-~ NO,+2H20 (katode) (6)

Ag+2 yang dihasilkan kemudian mengoksidasioksida-oksida besi, krom dan nikel menjadi ion-ionyang larut,

FeJ04 + 6 Ag+2~ 3 Fe+2+ 2 O2 + 6 Ag+ (7)

2Fe203+8Ag+2~4Fe+2+302+8Ag+ (8)

2 Cr203 + 8 Ag+2~ 4 Cr+2+ 3 O2 + 8 Ag+ (9)

NiFe04 + 6 Ag+2 --t Nt2 + 2 Fe+2 + 202 + 6 Ag+ (10)

Pengaruh ini sebetulnya terkait denganpengaruh arus elektrolisis terhadap kebangkitandari Ag+2. Semakin besar arus elektrolisis akansemakin besar pula reaksi terjadinya Ag+2(reaksi 4).Dengan demikian rcaksi pelarutan oksida-oksidaFe, Cr dan Ni juga akan semakin besar pula.Secara teoritis masa ion Ag+2yang dibangkitkan didalam sel elektrolisis adalah sebagai berikut (8).:

M = Q(Nn)(I/F), di mana

M = masa yang dinyatakan daJam gram

Pada Tabel 1(6) dapat dilihat pengaruhkenaikan arus elektrolisis terhadap kenaikan darikebangkitan Ag+2. Disamping besamya aruselektrolisis, efisiensi arus juga lebih berpengaruhterhadap reaksi ini. Efisiensi arus sangat ditentukanoleh kesempumaan disain dari sel elektrolisis.Pada penelitian sebelumnya telah diketahui bahwaefisiensi arus sel elektrolisis ini berkisar dari 4,40sampai dengan 10,37%(6). Dari reaksi-reaksi (7),(8), (9) dan (10) dapat dilihat bahwa semakin besarkonsentrasi Ag+2, maka reaksi akan semakinbergeser kekanan, yang berarti laju pelarutanoksida-oksida Fe, Ni dan Cr akan semakin besarpula.

300---*- 2Sderi:

250

E 200DoDo

~ 150Do

Uell 100~

50

20 40 60 80 100

waktu, menit

Gambar 3. Pel/garuh suhu terhadap kecepatanpelarlltal/

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

170 ISSN 0216 - 3128 Mulyono Daryoko

( 17)

( 18)

(19)

(20)

(21)

Mengacu pada Gambar 3 pengaruh suhuterhadap 1aju pe1arutan Fe, Ni dan Cr ada1ahsemakin tinggi suhu, maka 1aju pe1arutan akansemakin bertambah. Kecepatan reaksi dari reaksi­reaksi (4), ada1ah sbb.:

-d{Ag+2}/dt = k{Ag+2) (11)

untuk reaksi (8), (9) dan (10) :

-d{Fe+2}/dt = k1 {Fe+2) (12)

-d{Cr+2}/dt = k2{Cr+2) (13)

-d{Nt2}/dt=k3{Nt2) (14)

dimana, baik k, kl> k2 dan k3 adalah tetapankeseimbangan, yang besamya

k = Ae,EalRT(8) (15)

maka kenaikan temperatur akan memperbesarkecepatan terjadinya Ag+2, dan berikutnya akanmemperbesar terjadinya laju pelarutan oks ida­oksida Fe, Cr dan Ni di dalam logam baja tahankarat. Tetapi sebenamya seperti yang diperlihatkanpada reaksi (16) bahwa Ag+2 yang dibangkitkan,akan bereaksi dengan air dan berubah kembalimenjadi Ag+. Seperti yang diuraikan di atassebenamya pengaruh suhu juga akan memperbesarreaksi ini, sebab konsentrasi Ag+2 akan semakinberkurang, dan reaksi akan bergeser ke kiri. Sudahtentu hal ini akan mengganggu kelancaran dari lajupelarutan oksida-oksida Fe, Cr dan Ni(5).

4 Ag+2+ 2 H20--+ 4 Ag+ + O2 + 4 H+ (16)

Jika dianggap reaksi ini order 2, maka mekanismereaksinya sebagai berikut:

2 Ag+2--+Ag+ + Ag+3

Ag+3+ H20 --+ AgO' + 2 H+

AgO' + H20 --+Ag+ + H202

Ag+2+ H202 --+ Ag+ + 02H' + H+

Ag+2+ 02H- --+ Ag+ + H+ + O2

Kecepatan reaksinya:

-d{Ag+}/dt = k{Ag+}2 (22)

Jika reaksi dianggap orde 1 maka mekanismenyaadalah :

20H- --+ H202 (29)

AgN03' + H202 --+ Ag+ + 02H+ + H+ + N03- (30)

AgN03- + 02W --+ Ag+ + O2 + H+ + N03- (31)

Kecepatan reaksinya:

(32)

Tabel 2. Pengaruh suhu terhadap pembangkitanAg +2(6)

Waktu, Ag+2, molmenit

25°C15°ClOoC0

000

10,00710,001060,00089

30,002390,00230,00269

50,00390,003710,00396

100,006910,006940,00702

150,007980,008670,00898

300,008220,009120,01074

600,007640,009130,00996

900,007460,008780,01019

Jika dilihat data pada Tabe1 2(6), pengaruhsuhu terhadap reaksi balik ini lebih menonjoldibandingkan dengan reaksi kebangkitan Ag+2,Meskipun demikian secara keseluruhan pengaruhsuhu terhadap reaksi-reaksi (7) sampai dengan (10)1ebih dominan dari pada reaksi pembangkitan Ag+2,Optimasi dari suhu operasi pada proses ini dapatdilihat pada Gambar 4,

Ag NO/ + H20--+ AgON03' + 2H+

AgONO/ + H20 --+ Ag+ + OH+ +0H"+N03'

H' + OH' --+ H20

AgN03+--+ Ag+ + N03'

N03' + H20 --+ It + N03' + OH'

AgN03 + + H20 --+Ag+ + OB' + B+ +N03-

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

Suhu

Gambar 4. Suhu Optimum

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImlah Penelltian Casar IImu Pengetahuan dan Teknologi NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

Mulyollo Daryoko ISSN 0216 - 3128 171

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian ini didapatkankesimpulan sebagai berikut:

1. Dengan kenaikan arus elektrolisis kecepatan lajupelarutan oksida-oksida Fe, Cr dan Ni akansemakin bertambah. Hal ini disebabkan karena

terjadinya kenaikan laju pembangkitan Ag +2.

2. Kecepatan laju pelarutan oksida-oksida Fe, Crdan Ni akan semakin bertambah pula dengankenaikan suhu. Hal ini disebabkan karena

pengaruh positif suhu terhadap reaksiterbentuknya Ag +2 dan reaksi oksidasi oks ida­oksida Fe, Cr dan Ni lebih kuat dibandingkandengan reaksi antara Ag +2 dengan air.

3. Jumlah oksida-oksida besi, krom dan nikel didalam baja tahan karat yang dilarutkan selama90 menit, pada kondisi elektrolisis lOA, suhu

25°C dan kecepatan pengadukan 1000 rpmadalah 3,4263 g.

DAFf AR PUST AKA

1. SUK1GA WA, S., UMEDA. M., "AlphaBearing Waste Treatment by ElectrochemicalOxidation 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 Process for

Dissolving Plutonium Dioxide and LeachingPlutonium from Scrap on Wastes", A1CE,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. ALSENOY, V. V., RAHIER, A., "TheElectrochemical Oxidation of Organic Wastesand Activated Graphite by Ag+2 in Nitric Acid:a literature study, SCK-CEN, Mol, Belgium( 1996).

6. DARYOKO, M., "Pembangkitan Ag+2 padaDekontaminasi Elektrokimia", Prosiding padaSeminar Nasional Penelitian Dasar Ilmu

Pengetahuan dan Teknologi, P3TM, BAT AN,Yogyakarta (2002).

7. DARYOKO, M., "Kecepatan PembangkitanAg +2 Sebagai Langkah pada DekontaminasiElektrokimia", Seminar Nasional Kimia,Jurusan Kimia, FMIP A-UNNES, Semarang(2002).

8. ACHMAD, H., "Elektrokimia dan Kinetika",PT. Citra Aditya Bakti, Bandung (1992).

TANYAJAWAB

Damunir

Pada elektrolisa ion-ion logam. Ion Ag+berubah menjadi Ag+2. Apakah fungsi Agsebagai perantara atau unsur pereaksi ?

MuIyono Daryoko

Dalam hal ini fUIIgsi larutan Ag sebagaimedia Ag+ dielektrolisis menjadi Ag+ 2.mengoksidasi dan kembali lagi menjadiAg+.

Supardi

Apakah hubungan penelitian Inl dengandekontaminasiJpengolahan limbah?

Mulyono Daryoko

Hubungan penelitian lIIl dengandekontaminasilpengolahan limbah adalahpada proses dekontaminasi radionuklidaradionuklida yang menempel baik padalapisan luar(crud kontaminasi).

Rohadi A.

Apa kegunaan utama penelitian ini ?

Apa peran Ag+ ?

Mulyono Daryoko

Tujuan utama penelitian ini adalah untuk

mencari optimasi kondisi operasinya,dapat mengetahui seberapa jauhkecepatan pelarutan baja tahan karat,yang berkaitan dengan operasidekontaminasi.

Perml Ag+ .I'ebagai media lIIztllkelektrolisisnya karClla sebetulnyaelektrolisis dalam dekontaminasi ini ada

yang langsung disebut sdisebut

elektropolishing dan ada yang denganmedia, Ag adalah salah .I'atllmedia.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NuklirP3TM·BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003

172 ISSN 0216 - 3128 Mulyono Daryoko

Suprapto

Apa bedanya elektrokimia ini denganelektropolishing ?

Mulyono Daryoko

Elektrokimia ini sebetulnya ada 2 macam: yaitu kalau yang media (misalnya Ag)seperti pene/itian ini dan kalau yangtanpa media, jadi yang dielektro/isislangsung bahannya, disebutelektropo/ishing.

Samin

Apakah keuntungan dari metode ini ?

Mulyono Daryoko

Seperti telah disebutkan dalam makalah,keuntungan-keuntungan dari metode iniadalah : limbah sekunder yang terjadirelatif kecil, suhu proses relatif rendah,proses sangat cocok bila dilaksanakansecara kontinyu dan variasi pH sangatbesar.

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Jull 2003