7. pembuatan zroz dengan pengendapan larutan

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176

PEMBUATAN Zr02 DENGAN PENGENDAPANLARUTAN STRIPPING SECARA CATU

DARI BERBAGAI KEASAMAN DAN VOLUME

SAJIMA *, EUN NURAINI*, ARI HANDAYANI*** Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BA TAN

Jl. Babarsari Kotak Pos 6101/YKBB

Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 488435, **Pusat Teknologi Bahan lndustri Nuklir-BATAN

Kawasan Puspitek Serpong Tangerang 15310Banten, Telp. (021)7560926

Abstrak

PEMBUATAN Zr02 DENGAN PENGENDAPAN LARUTAN STRIPPING CATU DARl BERBAGAIKEASAMAN DAN VOLUME Telah dilakukan pembuatan zirkonium dioksida dengan pengendapan larutanstripping secara catu dari berbagai keasaman dan volume. Penelitian ini merupakan gabungan antaraproses stripping dan pengendapan dengan ekstrak zirkonium yang dipakai sebagai umpan. Proses ekstraksidilakukan secara catu, kemudian ekstraknya distripping dengan larutan asam sulfat. Fase air yang diperolehdiendapkan dengan NH40H 12,5 %. Endapan yang didapat dikeringkan kemudian dikalsinasi. Padatan yangdiperoleh dianalisis kandungan zirkoniumnya dengan metode AANC (Analisis Aktivasi Neutron Cepat) danhafnium dengan SEM EDAX. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh keasaman danperbandingan volume pada stripping terhadap zirkonium yang terambil. Kondisi optimum dihasilkan padakeasaman 0,2 N dan perbandingan volume umpan dengan asam sulfat sebesar 1: 0,5. Pada kondisi inidiperoleh Zr02 dengan kadar Zr 71,595 % dan hafnium 4,100%.

Kata-kata kunci: Zr02, catu, stripping

Abstract

PRODUCTION OF Zr02 BY BATCHWISE PRECIPITATION OF STRIPPING SOLUTION FROMVARIOUS OF ACIDITY AND VOLUME. Production of Zr02 by batchwise precipitation of strippingsolution from various acidity and volume has been done. This research is a combination of stripping andprecipitation with zirconium extract used as thefeed. Extraction process was undertaken batchwise, then theextract was stripped by sulfuric acid solution. The obtained rajinate was precipitated by 12.5 % of NH40H.The obtained precipitant was dried and then calcinized. Zirconium content of the obtained precipitant wasanalyzed using Fast Neutron Activation Analysis (FNAA) and hafnium by SEM EDAX. The aim of thisresearch is to study the influence of acidity and volume ratio of stripping on the recovery of zirconium. Theoptimum condition was achieved at the acidity of 0.2 N and volume ratio of feed with sulfuric acid of 1: 0.5.In this condition the content ofZr in Zr02 was 71.595 % and the hafnium was 4.1O%.

Keywordsi: Zr02, batch, stripping

PENDAHULUAN

Pasir zirkon apabila diolah lebih lanjutmempunyai peranan yang sangat luas dalamberbagai bidang industri. Dalam bidang industri

Sajima dkk 69

nuklir, bahan ini dapat diolah menjadi logamyang berguna sebagai struktur reaktor ataukelongsong bahan bakar nuklir, karenamempunyai sifat yang unggul seperti[l] tahanterhadap sOOu tinggi, tahan terhadap korosi,

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN

SEMINAR NASIONAL II

SDM TEKNOLOGI NUKLIR


s

FXf + SXs = EXe + RXr (2)

Reekstraksi

reaksi, sehingga dalam keadaan ini akan terjadidua macam kejadian yaitu perpindahan massadan reaksi kimia. [7]

Gambar 1. Bagan Proses Ekstraksi dan Re Ekstraksi

Neraea massa pada bagan tersebut di atasdapat ditulis. [7]Ekstraksi:Neraea massa total

(1)

(4)

F+S=E+R

ZrO++ +2H+ +4N03 +2TBP

~ Zr(N03)4 .2TBP + H20

Neraea massa komponen

EXe + StXst = OXo + Axa (3)

Dengan :F : umpanSt : fase air strippingR : RafinatS : solveno : solven bekasA : fase air hasil strippingE : EkstrakX : konsentrasi

Umpan (feed) yang dipakai padapenelitian ini adalah larutan ZrHfO(N03)z hasilproses sebelumnya. Pe1arut (solven) dalamekstraksi digunakan larutan TBP-Kerosendengan perbandingan (30/70) sedangkan larutanpemungut (larutan untuk stripping) adalah asamsulfat (HzS04). Mekanisme reaksi yang terjadipada proses ekstraksi diduga sebagai berikut:[S]

Proses ekstraksi eair-eair adalah salah

satu proses untuk memisahkan komponenkomponen tertentu di dalam eairan denganmenggunakan zat pelarut dan pengeneer. [5]

TBP-Kerosen secara luas digunakan dalamproses ekstraksi pelarut untuk memisahkanunsur-unsur fisil maupun fertil[6]Kerosen dalamperdagangan terdiri atas campuran hidrokarbon,parafin, olefin, dan aromatik. Ekstraksi inidapat dikerjakan dengan sistem eatu ataukontinyu dan keduanya[7]·Pada proses ekstraksiada dua fase yang bersentuhan sebelum terjadi

mempunyai serapan neutron yang keeil (0,180,2 barn), dan menaikkan sifat fisik terhadaplogam paduannya. Dalam industri non nuklir,zirkonium berperan dalam industri keramik, cat(pigmen), semi konduktor dan pelapisanperangkat keras seperti turbin. Oksidazirkonium apabila dipadukan dengan oksidalogam lainnya dapat digunakan sebagai bahanelektrolit oksida dalam Sel Bahan Bakar Oksidapadat. [Z] Bahan ini merupakan penghantar ionikyang baik.

Pemumian zirkonium dari berbagaiunsur-unsur pengotor dapat dilakukan denganberbagai eara antara lain ekstraksi eair-eair danpengendapan. Usaha-usaha untuk mendapatkanzirkonium hidroksida telah dilakukan olehbeberapa peneliti, antara lain Pumomo padatahun 198i3] melakukan pengendapanzirkonium hidrokdida dengan mereaksikanzirkonium sulfat dengan ammonium hidroksida.Pada 'penelitian itu hampir seluruh zirkoniumdalam zirkonium sulfat dapat diendapkansebagai zirkonium hidroksida pada pH 7-8.Endapan zirkonium hidroksida apabiladikalsinasi akan berubah menjadi zirkoniumdioksida (ZrOz).[4]

Kemumian produksi zrOz sangatberpengaruh pada pemanfaatannya. Pene1itianini sebagai tahap pertama untuk memastikanterambilnya zirkonium dan terpisahnya hafniumdari hasil stripping untuk proses eatu. Hal inidilakukan karena pada penelitian terdahulu(ekstraksi dan stripping) dengan beberapatingkat untuk proses pengendapannya tidakberhasil.

Variabe1 yang dikaji dalam penelitian iniadalah keasaman dan perbandingan volumepada proses stripping.

TEOR!

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN 70 Sajima dkk

Adapun reaksi yang terjadi dalam prosesre ekstraksi adalah :

Zr(N03)4·2TBP+2H2S04

~ Zr(S04)2 +4HN03 +2TBP



HfD+++ 2H+ + 4N03"+ 2TBP

~ Hf(N03)4 .2TBP + H20 (5)dengan :k : E.Y

E : efisiensi pencacahanY: peluruhan y (gamma yield).

Jumlah nuklida sasaran dapat di~J1gdengan kesetaraan mol:

Pengendapan merupakan bagian daripemisahan butiran-butiran padat dari larutannyakarena gaya beban. Pada pene1itian ini larutanZr(S04h diendapkan dengan ~OH pada pHlarutan 7-8. Mekanisme reaksi yang terjadipada pengendapan adalah sebagai berikut :

Zr(S04)2 +4NH40H

~Zr(OH)4 t+2(NH4)2S04

N _ mNABA a (10)

dengan :m : massa cuplikanNA : bilangan AvogadroBA : berat atom unsure cuplikana : kelimpahan re1atif isotop cuplikan

Dengan demikian Persamaan (9) me~lJdi

Pemantauan kandungan hafniumdilakukan dengan SEM yang dikombinasi

) (12)(CPS euplikan X Wstandar

Weuplikan = (CPS )standar

c=mNA a <p(mY (l_e-1.ta)e-1.td(l_e-1.tc) (11)BA A.

Persamaan (11) tersebut dapat digunakansebagai dasardan persamaan akhir analisisaktivasi. Tujuan analisis kuantitatif a~menentukan nilai m (kadar) unsur dalam suatucuplikan.

2. Metode Relatif

Untuk menghitung kadar cuplikan, dalampenelitian ini digunakan metodekomparasi/relatif yaitu dengan membandingankadar cuplikan dengan kadar cuplikan standaryang telah diketahui kadar dan komposisinya.Untuk menghitung kadar cuplikan denganmetode komparatif/relatif dapat dihitungdengan Persamaan (12).

Endapan Zr(OH)4 apabila dikalsinasipada suhu tertentu akan berubah menjadi Zr02,reaksi yang terjadi pada proses kalsinasi adalahsebagaiberikut:

Zr(OH)4 ~ ZrO 2 + 2H 20 ti

Prinsip Dasar Analisis Aktivasi NeutronCepat

1. Metode Absolut

Teknik AANC didasarkan pada reaksineutron cepat dengan inti, cuplikan yang akandianalisis diirradiasi dengan menggunakangenerator neutron. Inti atom unsur yang beradadalam cuplikan akan menangkap neutron danberubah menjadi radioaktif denganmemancarkan sinar y. Sinar y yang dipancarkanumurnnya memiliki energi yang sangatkarakteristik untuk setiap unsur/isotop,sehingga dapat diidentifikasi denganmenggunakan teknik spektroskopi y. [9]

Jumlah cacah kejadian peluruhan selamawaktu untuk pencacahan (tc) adalah :[9]

Ie

c= fkAoe-A dt1=0

dengan :Weuplikan

W slandar

(CPS) euplikan

(CPS) slandar

: kadar unsur yang diselidiki: kadar unsur standar: jumlah cacah cuplikan: jumlah cacah standar.

Sajima dkk 71 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN

dengan EDAX sedangkan struktur kristaldikonfirmasi dengan Diffraktometer sinar-x.

METODE PENELITIAN

Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitianmeliputi :1. Residu yang sudah kering hasil pelindian

dengan air.2. Bahan pelarut TBP-Kerosen (30:70),

H2S04, N~OH 25 % dan aquadest buatanlaboratorium BKTPB sebagai bahanpengencer.

Alat

Alat yang digunakan dalam proses adalahsebagai berikut.1. Beker gelas untuk ekstraksi, stripping, dan

corong pernisah.2. Satu set kompor magnet merek Ceramac

Midi.

3. Buret dari pyrex volume 50 ml4. Bar/pengaduk 0 = 5 mm, panjang 50mm.5. Krus alsint

6. Tungku pemanas7. Eksikator

8. Timbangan analitis9. Lampu pengering

Peralatan yang digunakan untuk analisiszirkonium meliputi :1. Satu set AANC dan satu set DifJraktometer

smar-x.

2. Plastik mylar buatan spex.3. Vial (temp at sampel).

Cara Penelitian

1. Persiapan Umpan

Pasir zirkon yang tersedia direaksikandengan NaOH padat dengan perbandingan beratantara pasir zirkon dengan NaOH padat adalah1 : 1,1 dan pada kondisi peleburan pada suhu700°C selama 2 jam. Terhadap hasilleburan inidilakukan pelindian memakai air denganperbandingan 19 hasilleburan dalam 30 mL air.Hasil yang diperoleh dari pelindian memakaiair dipisahkan dengan cara penyaringan untukmengambil residu, sedangkan filtrat yangmengandung pengotor dibuang, selanjutnyaresidu dikeringkan. Residu hasil prosespelindian dilarutkan dalam asam nitrat 2 N

SEMINAR NASIONAL II

SDM TEKNOLOGI NUKLIR


dengan perbandingan 109 residu dalam 100mL asam nitrat.

2. Variabel Keasaman

Mula-mula umpan sebanyak 100 mLdimasukkan ke dalam gelas beker, kemudiandiekstraksi dengan TBP-Krosen (30-70) denganperbandingan 1: 1 selama 15 menit dengankecepatan putaran 200 rpm. Setelah prosesekstraksi selesai kemudian dipisahkan dengancorong pemisah. Fase air (rafmat) yang berisilogam-logam pengotor dibuang sedang faseorganik (ekstrak) distripping dengan caramenambahkan H2S04 (Normalitas divariasi dari0,2 ; 0,4 ; 0,6 ; 0,8 ; 1,0) sebanyak 80 mL,kemudian diaduk pada kecepatan 200 rpmselama 15 menit. Hasil stripping dipisahkandengan corong pemisah, fase organik dibuangsedangkan fase air diambil untuk diendapkandengan menambahkan larutan N~OH 12,5 %hingga pH mencapai 7-8. Apabila prosespengendapan dianggap selesai, kemudiandisaring dengan kertas wathman 40. Endapanyang diperoleh dicuci dengan air panas laludikeringkan dengan lampu pemanas. Setelahkering, endapan ditimbang dan dikalsinasi.Terhadap serbuk hasil kalsinasi dilakukananalisis kandungan zirkonium dengan metodeAANC (Analisis Aktivasi Neutron Cepat),hafnium dianalisis dengan SEM-EDAX, danstruktur kristal zirkonium dioksida diamati

dengan Diffraktometer sinar-X.

3. Variabel Perbandingan Volume

Mula-mula umpan sebanyak 100 mLdimasukkan ke dalam gelas beker, kemudiandiekstraksi dengan TBP-Krosen (30-70) denganperbandingan 1: 1 selama 15 menit dengankecepatan putaran 200 rpm. Setelah prosesekstraksi selesai, dipisahkan dengan corongpemisah. Fase air (rafinat) yang berisi logamlog am pengotor dibuang sedang fase organik(ekstrak) distripping dengan cara menambahkanH2S04 pada normalitas tertentu dengan volumedivariasi dari 20 mL; 40 mL ; 60 mL; 80 mLdan 100 m L), kemudian diaduk pada kecepatan200 rpm selama 15 menit. Hasil strippingdipisahkan dengan corong pemisah, faseorganik dibuang sedangkan fase air diambiluntuk diendapkan dengan menambahkanlarutan N~OH 12,5 % hingga pH mencapai 78. Apabila proses pengendapan dianggap




selesai, kemudian disaring dengan kertaswathman 40. Endapan yang diperoleh dieueidengan air panas dan dikeringkan denganlampu pemanas. Setelah kering endapanditimbang dan dikalsinasi. Terhadap serbukhasil kalsinasi dilakukan analisis kandunganzirkoniumnya dengan metode AANC (AnalisaAktivasi Neutron Cepat), hafnium dianalisisdengan SEM-EDAX, dan struktur kristalzirkonium dioksida diamati denganDifftaktometer sinar-X.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Penelitian ini merupakan bagian darimetode proses basah dalam pengolahan pasirzirkonium. Umpan yang digunakan dalampenelitian adalah larutan zirkonium nitrat yangmerupakan hasil proses sebelumnya (peleburanmemakai tungku pemanas, pelindian denganair). Parameter-parameter yang diamati dalampenelitian adalah keasaman dan perbandinganvolume pada proses stripping.

Varia bel Keasaman

Variabel keasaman dalam prosesstripping dilakukan dengan memvariasinormalitas asam sulfat (H2S04) mulai dari 0,2N hingga 1 N. Hasil yang diperoleh daripenelitian ini disajikan pada TabelI.

Tabel 1. Pengaruh Keasaman Terhadap

Kandungan Zr Dalam zr02

No NormalitasSerat EndapanZr dalam

(N)

(mg)Zr02 (%)1

0,2 375,98771,5952

0,4 322,66770,6393

0,6 207,76063,7194

0,8 145,74356,8215

1,0 142,66743,004

Tabel 1, pengaruh keasaman terhadapkadar Zr dalam Zr02 menunjukkan bahwasemakin tinggi normalitas asam sulfat padaproses stripping akan mengakibatkan kadarzirkonium dalam zr02 mengalami penurunan,hal ini karena hasil proses ekstraksi seeara eatumasih mengandung logam-Iogam sebagaipengotor yang eukup tinggi. Pengotor-pengotortersebut sangat mudah bereaksi dengan ion-ionsulfat sehingga dalam proses pengendapanjumlah pengotor yang terendapkan membentuk

endapan hidroksida bersama zirkoniumsemakin besar.

Variabel Perbandingan Volume

Variabel perbandingan volume dalamproses stripping dilakukan dengan memvariasiperbandingan antara ekstrak zirkon (umpan)dengan asam sulfat (H2S04), Volume umpandibuat tetap yaitu 100 mL sedangkan volumeasam sulfat divariasi dari 20 mL hingga 100mL. Hasil yang diperoleh dari penelitian inidisajikan pada Tabel2.

Tabel2. Pengaruh Perbandingan Volume Terhadap

Kadar Zr Dalam zr02

No NormalitasSerat EndapanZr dalam Zr02

(N)

(mg)(%)1

20 312,07156,0322

40 342,05665,9403

60 375,98770,6394

80 376,63170,6455

100 377,04070,680

Pada Tabel 2, pengaruh perbandinganvolume terhadap kadar Zr dalam zr02 olahantampak jika volume asam suIfat semakin besarakan mengakibatkan kadar Zr dalam Zr02mengalami kenaikan. Hal ini karena semakinbesar volume asam sulfat dalam prosesstripping menyebabkan jurnlah ion-ion sulfatsemakin besar sehingga memberi kesempatankepada zirkonium untuk bereaksi dengan ionion sulfat membentuk zirkonium suIfat sangatbesar dan kemudian bereaksi dengan ~OHmembentuk endapan zirkonium hidroksidasemakin besar pula.

Pada penelitian ini juga dilakukanpengamatan kandungan hafnium menggunakanSEM-EDAX, dari hasil pengamatan diperolehkandungan hafnium sebesar 4,100 % pada zr02olahan. Hasil ini menunjukkan bahwa zr02hasil proses ekstraksi dan stripping seeara eatubelum diperoleh zr02 mumi nuklir terutamaterhadap pengotor logam hafnium, untuk ituperlu dilakukan proses ekstraksi seearabertingkat untuk menghilangkan pengotorlogam hafnium. Pada pengamatan zirkoniumdioksida olahan menggunakan Diffraktometersinar-X (XRD) diperoleh hasil (difftaktogram)seperti Gambar 2 dan Gambar 3.

Difftaktogram hasil pengamatandiidentifikasi dengan bantuan Tabel Hanawalt


diperoleh bentuk kristal dari zrOz olahan adalahtetragonal bereampur kubik dan monoklin.Dilihat dari intensitas, ZrOz olahan lebih rendahapabila dibanding dengan zrOz pabrikan, hal inimenunjukkan bahwa ZrOz olahan kemumiannya masih rendah.

Gambar 2. Dirraktogram zrOz Olahan.

!IW

l[ tit

SEMlNAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176

DAFTAR PUSTAKA

1. LUTSMAN, B., and KERZE, F. Jr., 1955, TheMetalurgy of Zirconium., Me Gra Hill BookCompany, Inc, New York, hall-216.

2. WIDDI USADA, ISYUNIARTO, MlNTOLO,SRI SUKMAJAYA., 2001, "Kajian PustakaProspek Pengembangan Sel Bahan BakarOksida Padat", Ganendra, Vol IV No 2.

3. PURNOMO, FONALI. L., 1997, "PengendapanZr(OH)4 dari Larutan Zr(S04)Z denganAmonia", Prosiding PPI, PPNY-BATAN,Yogyakarta, haI251-262.

4. ELlNSO, S.V. and PETROV, 1960, ZirconiumChemical and Physical Methods of Analyzer,Atomic Energy at The Cunci1 of Ministrys,Mozcow, hal17 - 60.

5. SILVA. A. DA., 2005, Hafrdum/ZirconiumSeparation Using Cyanex 925, in http pubs.Nrc-cnrc, gc. ca. cmq/03739-1.

6. DEAN AJ , LANGE'S., 1987, Handbook ofChemistry., Edisi 13 Me Graw Hillinternational Editions, Fong & Sons PrintersPtc Ltd, Singapore, hal132.

7. TARWITO, SOEDYARTOMO SOENTONO.,1982, "Beberapa Penelitian TentangKompleks Zirkonium dengan DegradasiTBP", Lokakarya Kimia dan Tekno1ogiPemumian Bahan Nuk1ir dan PertemuanIlmiah Bahan Murni, Fisika, Reaktor danInstrumentasi, Yogyakarta, ha124.

8. TUNJUNG lNDRA TI, BUDI SULSTYO, 1993,"Ekstraksi dan Reekstraksi Zr(Hf)OCh 8HzOHasil Pelindian HC1 Menggunakan PesawatPengaduk Pengenap", Prosiding Pertemuandan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN,Yogyakarta.

Gambar 3. Difrraktogram zrOz Pabrikan.

KESIMPULAN

9. DARSONO.,AkselelatorYogyakarta.

2001,dan

"Aplikasi Tekno1ogiAplikasinya", Vol 3,

Dari hasil analisis menggunakan AANCdan XRD dapat ditarik kesimpulan bahwapembuatan zirkonium dioksida (zrOz) darilarutan hasil ekstraksi dan stripping seeara eatudapat dilalcukan. Kondisi operasi strippingterbaik diperoleh pada keasaman 0,2 N danperbandingan volume umpan dengan pelarutsebesar 1 : 0,4, pada kondisi tersebut zirkoniumdioksida berkadar Zr sebanyak 71,595 % danHf 4,100 % dengan bentuk kristal eampuranantara tetragonal, kubik dan monoklinik.

TANYAJAWAB

Pertanyaan

1. Apakah sudah pemah dieoba menggunakanalat lain, seperti AANC?

2. Apa sudah dieoba pada konsentrasikeasaman 0,1? Mengapa langsung langsungmemilih 0,2? (Suryo Raneono)


mana?kubus,


YOGY AKART A, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176

3. Pada kesimpulan arahnya keMengapa ada hasil kristal,tertragonal, dU.? (Atmojo)

Jawaban

1. Sudah pernah dicoba dan hasilnya sama(dengan X-ray)

2. Sudah pernah dicoba pada konsentrasi 0,10,2. Hasilnya sama sehingga dipakai 0,2.

3. Ke depan diharapkan bentuk kristaltetragonal.


7. pembuatan zroz dengan pengendapan larutan

Documents