PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

PENANGANAN EFLUEN BERKANDUNGAN FLUOR (F) SECARAELEKTRODIALISIS

Hendro Wahyono, SunardiPusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir, BATAN

ABSTRAK

PENANGANAN EFLUEN BERKANDUNGAN FLUOR (F) SECARAELEKTRODIALISIS. Salah satu keluaran dari unit konversi pada pembuatan elemenbakar nuklir reaktor riset berupa efluen, yang masih memiliki kandungan U /50 ppmdan harus dipungut kembali. Namun efluen yang berasal dari filtrat pada prosespenyaringan Amonium Uranil Karbonat (AUK) masih memiliki kandungan Fluor yangtinggi yang dapat mengurangi efektivitas proses pemungutan Uranium, oleh karena itukandungan Fluor dalam efluen tersebut harus diturunkan sebelum melakukan prosespemungutan Uranium. Percobaan dilakukan di dalam sebuah sel elektrolitik yangtereiiri dari dua buah bilik, yaitu bilik anoda dan bilik katoda dengan selembarmembran tukar anion diselipkan ditengahnya. Sel terbuat dari bahan f1eksiglasberukuran 4 cm x 4 cm. Larutan elektrolit berupa 100 ml HN03 0,3 M diletakkan didalam bilik anoda dengan elektroda Pt. Larutan uranil nitrat 100 ml dengankonsentrasi masing-masing 100 dan 5000 mg U/L dan larutan NaF 0,3 M diletakkan dibilik katoda dengan elektroda karbon. Jarak antara kedua elektroda dengan membrandibuat tetap yaitu 1,5 cm. Jumlah Fluor diamati sebagai fungsi waktu dan tegangan.Hasil percobaan menunjukkan bahwa tegangan operasi optimal dalam sel adalah 14volt dan Membran Tukar Anion dapat menurunkan kandungan Fluor hingga 75%untuk konsentrasi 100 mg U/L dan 65% untuk konsentrasi 5000 mg U/L. Hasilpercobaan ini diharapkan sebagai asupan untuk meningkatkan efektivitas prosespemungutan uranium dalam efluen.

ABSTRACT

HANDLING OF FLUOR (F) CONTENT EFFLUENT BY ELECTRODIAL YSIS. Oneoutput of conversion unit of nuclear fuel element fabrication of research reactor iseffluent, that has still U content /50 ppm and must be recovered . However, effluentthat originates from filtration process of Ammoium Uranyl Carbonate has still highFluor content, that can decrease effectivity of Uranium recovery process, therefore,Fluor content in the effluent must be decreased before performing Uranium recoveryprocess. Experiments have be done in an electrolytic cell that consists of twochambers, namely anode chamber and cathode chamber with anion exchangemembrane inserted in the middle of both chambers. The cell made from f1exiglassmaterial of 4 cm x 4 cm. Electrolyte solution of 100 ml HN03 0,3 M is put down inanode chamber with electrode Pt. Uranyl nitrate 100 ml with each concentration 100and 5000 mg U/L and Solution of NaF 0,3 M is put down in cathode chamber withcarbon electrode. Distance from both electrodes to membrane is kept at 1,5 cm.Quantity of Fluor is observed as function of time and voltage. The experiment resultshowed that optimum operation voltage in the cell is 14 volts and Anion ExchangeMembrane( AEM ) can reduce Fluor content up to 75% for concentration of 100 mgU/L and 65% for concentration of 5000 mg U/L. The experiment result is expected asan input in effectively improving uranium recovery process in the effluent.

PENDAHULUAN

Salah satu keluaran dari unit konversi padapembuatan elemen bakar nuklir reaktor riset

berupa etluen. Oalam proses kimia pad a unitkonversi untuk mendapatkan bahan induk yangberupa amonium uranil karbonat (AUK),

210 ISSN 1410 - 8178 Hendro Wahyono, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

menggunakan bahan dasar uranium heksaflourida(UF6).

Selama proses konversi kimia berlangsung,bahan dasar UF6 direaksikan berturut-turut denganreagen gas NHJ dan CO2 dengan media (NH4)2C03bersama air bebas mineral dalam tangki endappipih. Proses pembentukan bahan induk iniberlangsung pad a pH > 8 dan suhu reaksi 60°C.Reaksi pengendapan ditunjukkan pada reaksi (Iii].

60°CUF6 +NH3 +C02 +H20 -- (NH4)4U02(C03b + (I)pH>8

NH4F

Selanjutnya endapan amonium uranilkarbonat (AUK) yang terbentuk dipisahkan darieairnn N~F (efluen) dengan eara filtrasi, namunsebagian Uranium terikut dalam efluen dengankandungan U / 50 ppm!l) . Karena pertimbangannilai ekonomi Uranium yang terkandung didalamnya serta efluen tersebut dapat dikategorikansebagai limbah apabila kandungan Uraniumnya <50 ppm, maka Uranium dalam efluen tersebut harusdipungut kembali. Mengingat kandungan Fluordalam efluen yang tinggi dapat menggangguefektivitas pemungutan Uranium serta kandungan

Fluor maksimum yang diperbolehkan sebaXaipengotor dalam bahan bakar adalah 300 ppm 2),maka kandungan Fluor dalam efluen harusditurunkan sebelum dilakukan proses pemungutanUranium.

Metoda yang pemah dilakukan untukmemisahkan Fluor adalah dengan mengendapkanefluen berkandungan Fluor menggunakan kalsiumhidroksida, Ca(OH)z. Fluor yang tertinggal dalamfiltrat selanjutnya diendapkan dengan tawas danresin jenis WWS[3J. Peralatan yang digunakan untukpengendapan Fluor tersebut terbuat dari gelas,namun kurang efektif mengingat gelas sangatreaktif terhadap Fluor.

Metoda altematif yang dapat digunakanuntuk pemisahan Fluor dari efluen adalah seearaelektrodialisis menggunakan membran tukar anion(MT A). Penurunan kandungan Fluor dipengaruhioleh faktor tegangan dan waktu proses. Penentuantegangan de perlu dilakukan untuk memperolehhasil yang lebih optimal dalam proses penurunankandungan Fluor. Pereobaan dilakukan untukmemperoleh data penurunan kandungan Fluordalam efluen dengan harapan hasil yang diperolehsebagai bahan asupan dalam penanganan efluenhasil filtrasi AUK.

Dalam makalah ini akan dibahas mengenaihasil pengamatan terhadap jumlah kandungan Fluoryang dapat diturunkan seeara simulasi di dalamefluen melalui proses elektrodialisis menggunakanelektoda Pt dan C.

TEORI

Pereobaan penuruan kandungan Fluorseeara elektrodialisis dilakukan di dalam sebuah sel

terdiri dari dua bilik yaitu bilik anoda dan bilikkatoda yang dipisahkan oleh selembar membrantukar anion di tengahnya. Beberapa keuntunganmetoda tersebut antara lain[4] :

Membran tukar anion sangat selektifterhadap anionsehingga hanya Fluor saja dari bilik katoda yangdapat menerobos membran menuju bilik anoda.

Pada waktu yang bersamaan uranium (VI)di dalam bilik katoda tereduksi menjadi U(IV)sebagai bahan dasar dalam pembuatan UF4.

Reaksi reduksi-oksidasi (redoks) larutanNaF [5]

Reaksi redoks berlangsung di dalam selelektrodialitik dengan selembar membrandiselipkan diantara bilik katoda dan anoda. Ketikapotensial sel diberikan ke dalam sel, maka padalarutan NaF akan terjadi beberapa reaksi sepertiberikut :

a. Pada bilik katoda akan terjadi pembentukan Nadari ion Na+ dan gas H2 dari ion 2H+ dan H20dengan reaksi :

(2)

(3)

2H20+2e- BH2+20W (4)

b. Pada bilik anoda terjadi oksidasi Fluor yangberhasil menerobos membran tukar anion dari

bilik katoda ke bilik anoda dan gas O2 denganreaksi :

(5)

(6)

Selama reaksi, ion F pada bilik anodaakan semakin bertambah karena adanya migrasidari bilik katoda. Tetapi pada saat yang sarna ion Fpada bilik anoda tersebut akan berubah menjadi gasF2 seperti reaksi (5).

Reaksi reduksi-oksidasi (redoks) larutanuranil nitrar6)

Reaksi redoks yang terjadi di dalam larutanuranil nitrat berlangsung di dalam setelektrodailitik, ditunjukkan pada persamaan reaksisebagai berikut :a. Pada bilik katoda terjadi reduksi UO/+ menjadi

U4+,dengan reaksi :

UO~++4H+ +2e- BU4+ +2H20 (7)

Hendro Wahyono, dkk. ISSN 1410 - 8178 211

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Selain itu, ada dua reaksi samping yang perludiperhatikan yaitu pembentukan asam nitrit danhidrogen, seperti reaksi :

(8)

2W +2e- BH2 (9)

b. Pada anoda, hanya terjadi reaksi pembentukanoksigen dari H20 dalam suasana asam nitratseperti reaksi berikut :

(10)

Bentuk Persenyawaan antara uraniumdengan Fluor [7]

Persenyawaan antara uranium dengan Fluormemiliki bermacam-macam bentuk yaitu : V2F9

(garam berwama hitam), VFJ (garam berwamahitam atau ungu), UF4 (garam yang sukar larut dandisebut garam hijau), UFs (garam berwama putih)dan VF6 (senyawa tak berwama dan mudahmenguap pada suhu 56,4°C).

TATA KERJA

Bahan

Membran tukar anion (MT A) buatan BDHInggris berukuran 4x4cm; Larutan uranil nitrat,larutan asam nitrat pekat, larutan natrium Fluoride,larutan TISAB (Total Ionic Strengths AdjusterButTer) dan seperangkat bahan pendukung dalamanalisis.

Keterangan : A : Bilik Anoda ; K : Bilik Katoda ;MTA : Membran Tukar Anion ; M : Pengadukmagnet

Cara Kerja

a. Penentuan tegangan optimal menggunakanelektroda Pt dan C

Sebanyak 100 ml larutan HNOJ 0,3 Mdimasukkan ke dalam bilik anoda dan 100 ml NaF

0,3 M (5698 mg F/L) dalam bilik katoda. Ketikapotensial DC diberikan, tegangan diatur pada posisi4 volt dan suhu dicatat setiap 30 menit. Selanjutnyadilakukan pencuplikan pada kedua bilik setiap 30menit dan dianalisis dengan menggunakan larutanTISAB. Langkah tersebut diulang untuk tegangan 6,8, 10, 12 dan 14 volt.

b. Penentuan kandungan Fluor dalam larutanuranil nitrat

Sebanyak 100 ml larutan umpanmengandung 100 mg VII dan 0,3 M NaFdimasukkan ke dalam bilik katoda sementara padabilik anoda diumpankan 100 ml HNOJ 0,3 M.Lempengan karbon dengan luas 9 cm2 dipasangpada bilik katoda sedang lempeng Pt berdiameter3,8 cm dipasang pada bilik anoda. Setelah potensialarus diberikan, dilakukan pencatatan terhadap arusyang keluar dan pencuplikan pada kedua bilik setiap30 menit. Langkah tersebut diulang untuk larutanumpan mengandung 5000 mg V/L dan 0,3 M NaF.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Alat

Set elektrolitik yang terbuat dari bahanfleksiglas terdiri dari dua bilik anoda dan katoda;dua buah elektroda terdiri dari anoda (Pt) danKarbon (C), seperangkat alat pendukung proses danseperangkat alat pendukung analisis. Skema selelektrolitik yang terdiri dari dua bilik anoda dankatoda ditunjukkan pada Gambar I.

Pt (+)

A

MTA

C(-1

K

Pemisahan Fluor dari larutan NaF

Percobaan penurunan kandungan Fluordilakukan dengan mengamati jumlah Fluor yangdapat dipisahkan dari efluen. Percobaanmenggunakan elektroda Pt dan C dilakukan denganmengamatipenurunan dan kenaikan Fluor di dalamlarutan yang berada di bilik anoda (katolit) dankatoda (anolit). Hasil pencuplikan di dalain katolitdan anolit ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3.

&DO

~ 4000

"-no~~ :;roo

~ 1000

0.5 1.5 2

V\ttdu eleI4rcdBlsis, J<rn

2.5 3 3.5

Gambar I. Sel elektrodialitik terdiri dua bilikkatoda dan anoda Gambar 2. Pengurangan konsentrasi Fluor dalam

katolit

212 ISSN 1410 - 8178 Hendro Wahyono, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

4&)0

4000

EO~:mo••....~o.~ 21)0

ti 19JO

~ 1000

9Do

o 0.5 1.5 2 2.5 3 3.5

oo

---~----I----r---'---'----r---T---'

11111g'.! , , .! 1 __ --4--100 n9'J _II I I I

___ L __1 ' _ l ;__~~~ __~I I I I I

I I I I I I___ ~ I L J J

I I I I I II I I I I I

___ J J L J J JI I I I I II I I I II I I I I f I

---7---~----~---7----I----r---7---~I I I I I I I II I I I I I I I

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

\l\£jduel~. Jim WOIIdu EW<t <><Uti; is. J om

Gambar 4. Pengurangan konsentrasi Fluor dalamkatolit

Gambar 5. Penambahan konsentrasi Fluor dalamanolit

Gambar 4 menunjukkan bahwa kandunganFluor yang terdapat di dalam katolit mengalamipenurunan sekitar 78 % dalam waktu 3,5 jam baikpada konsentrasi uranium 100 mg U/L maupun5000 mg U/L. Sedang pada Gambar 5 menunjukkanbahwa kenaikan kandungan Fluor dalam anolituntuk konsentrasi uranium 100 mg U/L sekitar 75%. Harga tersebut lebih besar jika dibandingkandengan konsentrasi uranium 5000 mg U/L yaitusekitar 65 %. Hal ini disebabkan adanya pengikatansenyawa kompleks antara uranium dengan Fluoroleh ion Na+ dan membentuk sebuah gelatin(NaUFs) berwama putih yang mengendap, sesuaidengan reaksi berikut [4]:

u4+ +5F- ~UF5 (11)

Gambar 3. Penambahan konsentrasi Fluor dalamanolit

Gambar 2 dan 3 menunjukkan bahwapenurunan dan kenaikan kandungan Fluor secarasignifikan di dalam katolit dan anolit, terjadi padategangan 10, 12 dan 14 volt. Hal ini disebabkanpada tegangan yang lebih besar, maka Fluor yangterlepas di dalam katolit juga semakin banyak.Fluor yang berada di bilik katoda bermigrasi kearah bilik anoda dengan menembus membrankarena adanya daya dorong dari membran danpotensial yang diberikan. Pada Gambar 2 dan 3menunjukkan penurunan dan kenaikan jumlah Fluorpada tegangan tersebut antara 50 hingga 75 %dalam waktu 3 jam.

Penambahan tegangan dan waktu lebihbesar lagi, memungkinkan terjadinya pelepasanFluor juga lebih besar. Hal ini belum dilakukandisebabkan adanya keterbatasan pengukuran padaperalatan (DC power). Faktor lain adalah terjadinyakerusakan pada pemukaan karbon pada kondisitegangan dan waktu maksimal tersebut.

Selama proses elektrodialisis berlang-sung,anion pada bilik katoda berupa F dan OH­bermigrasi secara bersama-sama menuju bilikanoda. Hal ini, menyebabkan volume katolitsemakin berkurang dan volume anolit semakinbertambah. Penurunan volume pada katolit jugadisebabkan oleh terbentuknya gas hidrogen padakatoda.

Penurunan kadar Fluor dalam larutan uranilnitrat

41500

4D)3roJ

"~':mJ'~2!m"-! DXI~15X)

:!lUX)

6XJ

oo 0.5 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Woktu e lekt ofijias Is. J om

KESIMPULAN

I. Proses elektrodialisis menggunakan Mem-branTukar Anion (MTA) dapat menurunkankandungan Fluor dalam larutan Uranil Nitrat

Semakin besar konsentrasi uranium yangdigunakan, maka proses pengikatan senyawakompleks yang terbentuk juga akan semakin besar,seperti ditunjukkan pad a reaksi 12. Hal ini dapatmengakibatkan terjadinya pengurangan Fluor yangberpindah dari bilik katoda ke bilik anoda.

Elektrodialisis campuran larutan NaF 0,3M (5698 mg F/L) dengan larutan uranil nitrat(konsentrasi 100 dan 5000 mg U/L) dilakukan padategangan 14 volt menggunakan elektroda Pt dan C.Pencuplikan sam pel pad a katolit dan anolitdilakukan setiap 30 menit untuk diamati jumlahFluor yang bermigrasi. Hasil penurunan dankenaikan Fluor pada katolit dan anolit dapat dilihatpada Gambar 4 dan 5. Perubahan kandungan Fluorpada katolit dan anolit diamati sebagai fungsi waktuelektrodialisis.

UF5+Na+ ~NaUF5 (endapanputih) (12)

Hendro Wahyono, dkk. ISSN 1410 - 8178 213

PROSIDING SEMINAR

PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

sekitar 75 % (konsentrasi 100 mg U/L) dansekitar 65 % (konsentrasi 5000 mg U/L).

2. Pembentukan senyawa kompleks NaUFs dapatmengakibatkan terhambatnya pemisah-an Fluordalam larutan Uranil Nitrat.

3. Penurunan kandungan Fluor menggunakanMembran Tukar Anion (MT A) diharapkansebagai asupan untuk meningkatkan efekti­vitas proses pemungutan uranium dalam efluen.

DAFT AR PUST AKA

I. NUKEM,"Tranfer of Information According toArticle 3 of The Contract", Part 2, TechnicalDocument, Hanau, West Germany (1982).

2. ANONIMOUS, "Annual Hand Book of ASTMStandart park 45", ASTM-1916 Rare.,Phiadelphia,Pa. 19103, (1082), hal. 533.

3. SALIMIN. Z dkk., "Rancangan UnitPengolahan Limbah Radioaktir\f Cair secaraKimia PPTA Serpong", Praseding PresentasiI1miah Daur Bahan Bakar Nuklir PEBN­BATAN, Jakarta, 18-19 Maret 1996.

4. WILKINSON. W., "Uranium Metallurgy",International Institute of Nuclear Science and

Engineering, Argone National Laboratory, NewYork, 1962.

5. SASTRA WIJA YA. R., "Kimia Dasar II",Departemen P & K Dirjen Dasar dan MenengahProyek Peningkatan Guru SLTP Setara 0-111,Jakarta, 1995 (hal. 279).

6. M. K. T. NAIR, R. K. SINGH, D.. 0 BAJPAL,A. K. VENUGOPALAN, R. R.. SINGH, P. B.GURBA, and M. THOMAS, "Role of iontransfer in the poduction of uranous nitrate",BARC/J 992/E/002, Prerre Plant, Tarapur, India,1992.

7. KOESHENDARTO. R.,"Penentuan Fluor dalamEluen hasil Pengendapan AUK menggunakanPenganalisis Ion", Akademi Kimia AnalisisBogor, 1990.

TANYA JAWAB

Jasmi B.U.

~ Apakah dengan menggunakan konsentrasi yanglebih tinggi dari 5000 mg/L akan dapatmenurunkan Fluor (F) lebih baik ?

~ Biasanya logam Fluor (F) yang ada efluentersebut berasal dari mana?

Hendro Wahyono~ Untuk konsentrasi U > 5000 mg VlL memiliki

kecenderungan pemisahan U semakin kecil,karena semakin besar konsentrasi U semakin

besar pula terjadi pengikatan ion Na I

terhadap Fluor dan Uranium menjadi NaUF5.~ Fluor (F) dalam efluen hasil filtrasi AUK

berasal dari proses konversi UF6 menjadiA UK sesuai persamaan reaksi :

60°C

UF6+NH,+CO,+HP pH>8 (NH.).UO,(CO,),+NH.F

(AUK) (efluen)

Tri Rusmanto

~ Untuk pernyataan Fluor dan Uranil Nitratdengan tegangan di atas 14, apakah adakecenderungan pemisahan lebih besar mohonpenjelasan ?

Hendro Wahyono~ Semakin besar tegangan yang digunakan akan

semakin besar Fluor yang dapat dipisahkan.Dalam percobaan ini hanya digunakan sampaiJ 4 V. karena keterbatasan peralatan DCpower yang terbatas tegangannya.

214 ISSN 1410 - 8178 Hendro Wahyono, dkk