PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

EKSTRAKSI KONSENTRAT LOGAM TANAH JARANG DENGANTOPO DALAM HCl

Suprihati, Purwoto, Bambang EHBPTAPB - BATAN Yogyakarta

ABSTRAK

EKSTRAKSI KONSENTRA T LOGAM TANAH JARANG DENGAN TOPO DALAMHCI. Te/ah dilakukan ekstraksi memakai so/ven tri oktil fosfin oksida (Tapa) terhadapkonsentrat /ogam tanah jarang dari pasir senotim da/am media HC/. Da/am konsentratmengandung itrium (Y), gad%nium (Gd) dan dysprosium (Dy) dilarutkan da/am HC/dipakai sebagai umpan. Dilakukan ekstraksi dengan mengontakkan 10m/ umpan dan10 m/ Tapa dikenakan variasi konsentrasi umpan, keasaman umpan, pemakaianTOPO, waktu pengadukan dan kecepatan pengadukan. Dipero/eh kondisi ekstraksire/atif baik yaitu pada konsentrasi umpan 0,25 grlm/, keasaman umpan 4 M,pemakaian TOPO 5%, waktu pengadukan 15 menit dan kecepatan pengadukan 300rpm, memberikan harga faktor pisah (a) Dy-Y = 2,02 •. Dy-Gd = 20,72. koefisienditribusi (Kd) untuk Dy 2,2

PENDAHULUAN

Unsur dysprosium (Oy) terdapat bersamadengan unsur-unsur logam tanah jarang (LTJ)yang lain di dalam pasir senotim sebesar ± 2,79%maupun di dalam pasir monasit ± 2,27%. Oymempunyai berat atom 162,5 dengan jari-jari ion1,07 A , warna kuning hijau, mempunyai tampanglintang serapan neutron tinggi, sehingga dapatdipakai sebagai batang kendali reaktor nuklir. (1,3).

Ekstraksi dapat dilakukan secara catumaupun secara sinambung dengan caramengontakkan fasa air (umpan) dengan solven (fasa organik) melalui pengadukan dalam waktuyang cukup. Hal ini dilakukan dalam upaya untukmeningkatkan konsentrat solut atau lebih tepatnyauntuk mengambil solut terpisah dari unsur-unsurlain yang ada bersamanya. Solven yang dipilihuntuk ekstraksi adalah yang selektif terhadap salahsatu unsur LTJ. Untuk suatu jenis solven padakondisi tertentu dapat selektif terhadap unsur LTJyang tertentu pula, padahal unsur-unsur LTJmempunyaai sifat-sifat kimia yang amat mirip,sehingga sebenamya sangat sulit untuk memisahkansatu unsur dari yang lain.

Umpan ekstraksi yang digunakan dalampenelitian ini diperoleh dari hasil proses pasirsenotim dengan cara dilebur dahulu dengan H2S04

pekat pad a suhu ± 210°C selama 6 jam dalamperbandingan antara berat pasir dengan H2S04

adalah 1 : 2, Hasil leburan tersebut kemudiandilarutkan dalam air es sebanyak 40 kali berat pasir,

kemudian dikenakan proses untuk menjadikangaram rangkap dengan tujuan untuk memisahkankelompok seria dengan kelompok itria. Kelompokseria dalam bentuk endapan sulfat rangkapsedangkan kelompok itria masih terdapat dalamfiltrat. Filtrat diendapkan dengan NH40H dandipisahkan kemudian endapannya di lebur denganNaOH untuk menghilangkan sisa-sisa sulfat danfosfat yang kemungkinan masih terdapat dalamsenyawa tersebut. Setelah itu di saring danendapannya dicuci hingga netral dengan air panas.Endapan dilarutkan dalam HCI dan digunakansebagai umpan ekstraksi.

Oi dalam umpan Dy berada bersamadengan Y dan Od, sehingga untuk meningkatkanhasil pemisahan Dy dari Y dan Od diusahakaandengan cara mencari kondisi ekstraksi yangoptimum memakai solven Tapa karena Tapamerupakan solven jenis organo fosfor yang lebihkuat jika dibandingkan dengan solven-solvenorgano fosfor yang lain. (1,2,5)

Solven yang digunakan untuk ekstraksipada umumnya akan mengalami peristiwa solvasiyaitu interaksi antara solven dengan solut atau zatyang diinginkan. Dalam proses ekstraksi yang perludipehatikan dari solven yaitu kekuatan basanya.Kebasaan solven-solven fosfor organik antara lainTBP, PBPO, Tapa jauh lebih kuat dibandingkankebasaan keton atau eter. Senyawa yangmempunyai sifat solven fosfor organik adalah yangmempunyai gugus fosforil (P=O). Kekuatan basadari gugus P=O sangat tergantung pada gugus yang

Suprihati, dkk. ISSN 1410 - 8178 221

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Dari persamaan 5 dapat dilihat bahwa LTJyang membentuk komplek dengan TOPOberbanding langsung dengan konsentrasi ion kloridapangkat 3 dan untuk meningkatkan hasil ekstraksidikenakan berbagai faktor yang berpengaruh sepertikonsentrasi dan keasaman umpan, pemakaian

terikat pada atom fosfomya. Pada dasamya solvenmerupakan donor elektron, sedangkan ion-ion solutbiasanya merupakan aseptor elektron. (1,3,4,6)

Di dalam konsentrat LTJ yang berasal daripasir senotim jumlah Dy yang terkandung didalamnya lebih sedikit jika dibandingkan jumlahitriumnya, sehingga untuk memisahkannya dipilihsolven yang selektif dan kuat terhadap Dy padakondisi tertentu yang didapat dari percobaan, Untukmaksud itu maka dicoba memakai solven TOPO,karena TOPO merupakan donor elektron yang kuat.Gugus alkil (R) yang ada pada TOPO mempunyaisifat mendorong elektron (e'), sehingga denganadanya 3 R pada TOPO akan mendorong elektronke arah gugus P, sehingga unsur P cenderung relatifnegatif ( ditandai dengan ~)" ). Alkilnya relatifpositif, sedangkan gugus oksin mempunyai sifatmenarik elektron, sehingga unsur 0 jenuh terhadapelektron, dengan demikian dapat kuat menarikkation. Di sini TOPO mempunyai 3 gugus alkilyaitu [CH3(CH2)7hP=O, Keberhasilan prosesekstraksi dinyatakan dengan koefisien distribusi(Kd) yaitu perbandingan antara konsentrasi solut didalam fasa organik (solven) terhadap konsentrasisolut di dalam fasa air setelah ekstraksi. Ini berarti

bahwa semakin besar Kd berarti hasil ekstraksi jugasemakin besar, dan untuk mengetahui besamyapemisahan solut dari unsur-unsur lain yang terikutdinyatakan dengan faktor pisah yaitu pebandinganantara Kd solut terhadap Kd unsur lain (a),

Kebanyakan unsUf-unsur LTJ mempunyaivalensi 3 dan ada beberapa yang mempunyaivalensi 2 dan 4. Dalam ekstraksi memakai umpankonsentrat LTJ, maka apabila ion LTJ adalah M3+

dalam media HCI, maka menurut HANSON (2),RITCEY GM, dkk (4) dan HUNG, dkk (6) reaksiyang terjadi adalah :

HCk::~H++CI- (1)

M3++3HCI+3TOPO<:::>MCb.3TOPO+3H+ (2)

Tetapan kesetimbangan:

K = ~_[M~C_IJ_'3~T_O_P_O]_[MJ+ ][erf [TOPOY

Koefisien distribusi:

Kd = [MCI) 3TOPO]~

atau Kd = K [CI-P (TOPOp

(3)

(4)

(5)

TOPO, waktu dan kecepatan pengadukan selamaproses ekstraksi.

TATA KERJA

Bahan dan Alat

Penelitian ini menggunakan bahan-bahansebagai berikut : konsentrat logam tanah jarang daripasir senotim, HCI, aquades, solven TOPO danpengencer kerosin, sedangkan paralatan yangdigunakan adalah alat-alat gelas, magnetic stirrer,neraca analitik, pH meter dan alat pendar sinar X.

Metode

1, Dibuat larutan umpan dengan cara melarutkankonsentrat logam tanah jarang dari pasir senotimke dalam larutan HCI yang divariasikonsentrasinya dari 0,05 ; 0,10 ; 0, IS ; 0,20 ;0,25 dan 0,30 grim I atau sampai jenuh,Dikontakkan 10 ml umpan dengan 10 ml solven,dengan kecepatan pengadukan 100 rpm danwaktu 5 menit

2. Dilakukan ekstraksi dari 10 ml larutan umpandengan 10 ml solven, Umpan yang dipakaimerupakan hasil percobaan langkah satu yangmemberikan tingkat pemisahan relatif baikuntuk dikenakan variasi keasaman umpan dari 1,2, 3,4, 5, dan 6 M dengan kecepatan 100 rpmdan waktu 5 menit.

3, Percobaan diulangi dengan variasi pemakaianTOPO dari 1, 3, 5, 7 dan 9 % berat dalampengencer kerosin, kondisi ekstraksi diambilhasil terbaik percobaan langkah ke dua.

4. Percobaan diulangi untuk variasi waktupengadukan dari 5, 10, 15, 20, 25 dan 30 men it,dengan kondisi operasi diambil dari hasil terbaikpercobaan sebelumnya,

5, Percobaan diulangi untuk variasi kecepatanpengadukan dari 100, 300, 500, 700, 900 dan110 rpm, dengan kondisi operasi terbaik daripercobaan sebelumnya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil percobaan yang telah dilakukandengan berbagai variasi, maka diperoleh hasilsebagai berikut :

Variasi konsentrasi umpan perlu ditelitiuntuk mendapatkan kondisi konsentrasi yang tepat,yang dapat memberikan hasil ekstraksi yangmaksimum. Dilakukan variasi umpan dari 0,05gr/ml sampai 0,3 grim I atau hingga mencapaikondisi jenuh. Makin tinggi konsentrasi umpan,maka hasil ekstraksi juga menunjukkan peningkatanhampir untuk semua unsur. Disini kondisikonsentrasi umpan dipilih pada 0,5 grim I, karena

222 ISSN 1410 - 8178 Suprihati, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

memberikan harga Kd dan faktor pisah relatifpaling tinggi untuk Dy.

Tabel I. Variasi konsentrasi umpan, dengan

perbandingan FA/FO I : I, keeepatanpengadukan 100 rpm dan waktu ekstraksi5 menit.

Umpan KdFaktor Pisah

grim IYGdDyIDy-YDv-Gd

0,05

0,8930,1200,9621,0788,1380,10

1,1020,1271,0820,9828,5360,15

1,2030,1421,2321,0248,6680,20

1,3310,1601,4021,0548,7800,25

1,3550,1741,5511,1458,9250,30

1,3030,1671,4291,0978,569

Dari Tabel 3 dapat diamati bahwa padapemakaian TOPO 5% memberikan harga Kd danfaktor pisah untuk Dy relatifpaling tinggi.

Tabel3. Variasi % TOPO, dengan perbandinganFA/FO I : I, keeepatan pengadukan 100rpm dan waktu ekstraksi 5 menit, umpan0,25 gr/ml dan keasaman urnpan 4 M.

% KdFaktor PisahTOPO

YGdDyDy-YOy-Gd

1

0,9920,1231,3461,35610,9623

1,1130,1401,6801,51012,0315

1,2260,1552,0521,67313,2387

1,3050,1651,9811,52012,0029

1,4050,1581,8581,32211,801

Untuk konsentrasi yang lebih tinggimenunjukkan penurunan hasil yang mungkindisebabkan kemampuan TOPO untuk mengekstraksudah meneapai kejenuhan atau sudah meneapaibatas maksimum sehingga ekstraksi tidak efektiflagi.

Dari Tabel 2. dapat diamati bahwa Dyterekstraksi relatif baik pada keasaman 4 M karenamemberikan harga Kd dan faktor pisah palingtinggi. Pada keasaman kurang dari 4 M mungkinjumlah ion Cl- beh.:m eukup untuk membentukkomplek dengan ion Dy, sehingga harga Kd lebihkecil dan untuk keasaman lebih tinggi harga Kdmengalami penurunan yang mungkin disebabkankarena kenaikan jumlah W, sehingga reaksibergeser kekiri yaitu kearah reaktan seperti halnyadengan unsur-unsur lain yang terikut. Mekipundemikian ada kondisi tertentu dimana kenaikkan

atau penurunan harga Kd dari masing-masing unsurmemberikan harga faktor pisah Dy terhadap Y danGd relatif paling tinggi. Hal ini mungkindisebabkaan pada keasaman 4 M Dy lebih kuatuntuk membentuk komplek dengan TOPO jikadibandingkan dengan Gd, karena Dy mempunyaiukuran jari-jari ion yang lebih keeil dibandingkanGd, sehingga lebih eepat bergerak dalam berdifusikarena proses ekstraksi juga merupakan prosesdifusi.

Tabel 2.

HN03M1

23456

Variasi keasaman umpan, denganperbandingan FNFO 1 : 1, keeepatanpengadukan 100 rpm dan waktu ekstraksi5 menit, umpan 0,25 grim\.

Kd Faktor PisahY Gd -Y -Gd

0,738 0,173 1,420 6,0711,023 0,188 1,551 8,4111,201 0,190 1,613 10,1671,284 0,184 1,801 12,5411,401 0,172 1,502 12,1801,502 0,187 1,202 9,531

Untuk pemakaian TOPO yang lebih tinggilagi menunjukkan harga-harga Kd dan faktor pisahyang menurun. Hal ini mungkin disebabkan karenaaperpindahan solut dari fasa air ke fasa organikmendapatkan hambatan karena fasa organik yangkadamya semakin naik maaka viskositasnya jugasemakin naik. Proses ekstraksi juga merupakanproses difusi yang sesuai dengan persamaan :

D - k B T (6)AB -6 D J1B r:A

DAB = difusivitas ( em2/det )kB = konstanta Boltzman ( 1,3806 . 10-16g em2 Idef. k )JlB = Viskositas pelarut ( g I em.det )'A = Jari-jari solut A ( em )T = suhu ( OK)

Dari persamaan 5 dapat dilihat bahwadifusivitas berbanding terbalik dengan viskositas.Apabila viskositas pelarut makin besar, makadifusivitas akan menurun yang mengakibatkanmenurunnya hasil ekstraksi yang dinyatakan olehKd.

Tabel4. Variasi waktu pengadukan, denganperbandingan FNFO 1 : 1, keeepatanpengadukan 100 rpm, TOPO 5%, umpan0,25 gr/ml dan keasaman umpan 4 M.

Waktu, KdFaktor Pisah

menitYGdDyDy-YOy-Gd

5

1,1720,1661,6011,3629,62810

1,1840,1561,5861,34010,20015

1,5710,1521,5761,36210,34720

1,1800,1641,6001,3539,71525

1,1830,1721,5921,3469,25030

1,1790,1751,5841,3449,050

Dari Tabel 4 dapat dijelaskan bahwa untukperpindahan massa solut dari fasa satu ke fasa yanglain yang keduanya tidak saling larut, maka perluwaktu yang eukup selama proses pengadukan.

Apabila waktunya kurang maka kemungkinan

Suprihati, dkk. ISSN 1410 - 8178 223

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

perpindahan massa solut dari faasa air ke fasaorganik belum optimal. Waktu pen gad ukan yangdiperlukan juga ada kaitan dengan jumlah volumeyang diaduk, maka dilakukan variasi waktupengadukan untuk volume 20 ml yaitu dari 5 menit- 30 menit yang diperkirakan cukup untukmemberikan waktu yang efektif dalam perpindahansolut dari fasa air ke fasa organik. Makin lamawaktu yang diberikan, maka hasil ekstraksi nampakmengalami sedikit kenaikan sampai pada keadaandimana pada pertambahan waktu yang diberikantidak ada pertambahan hasil atau mulai konstanpada kira-kira 20 men it. Dipilih waktu 15 menitkarena memberikan hasil ekstraksi relatif lebih baik

jika dibandingkan dengan pemakaian waktupengadukan yang lain.

Tabel 5. Variasi kecepatan pengadukan, denganperbandingan FAIFO I : I, Tapa 5%,umpan 0,25 gr/ml dan keasaman umpan4 M, waktu ekstraksi 15 menit.

Kec. KdFaktor Pisah

rpm

YGdDvDv-YDy-Gd100

1,0110,1002,0011,96720,0,36300

1,0480,1022,1122,01520,720500

1,0550,1202,0501,94417,375700

1,1020,1262,0491,86016,260900

1,1250,1332,0451,82015,4011100

1,1000,1301,9811,80015,204

Dari Tabel 5 dapat dijelaskan bahwaekstraksi merupakan juga transfer massa dari duacairan yang tidak saling melarutkan, sehinggaapabila tidak dibantu oleh tenaga dari luar berupapengadukan, maka transfer massa dari kedua cairanakan sangat lambat. Bantuan tenaga untukmencampur kedua fasa diberikan lewat pengadukandengan tujuan untuk menebarkan zat cair atauumpan yang mengandung solut ke dalam zat cairlain, sehingga terjadi kontak fasa yangmenyebabkan transfer massa bisa meningkat.Kecepatan pengadukan yang semakin meningkatmenyebabkan terbentuknya butir-butir cairan yangukurannya semakin kecil, sehingga luas bidangkontak semakin besar. Kecepatan pengadukantergantung pada total volume cairan yang dicampur,kekentalan sistem dan tegangan antar muka bahwaantara fasa organik dan fasa air. Dari percobaan inidapat dilihat adaa kecenderungan denganmeningkatnya kecepatan pengadukan, maka hasilekstraksi juga mengalami peningkatan meskipunpertambahan hasil tidak begitu berarti, sebabtergantung juga pad a jumlah volume yang diaduk.Kondisi relatif baik dipilih pada kecepatan

pengadukan 300 rpm karena pada kecepatan inisudah baik untuk mengaduk sistem sebanyak 20 ml.

KESIMPULAN

Ekstraksi Dy dapat dilakukan dalam mediaHCI memakai solven Tapa dan diperoleh kondisiekstraksi relatif baik pada pemakaian konsentrasiumpan pada 0,25 gr/ml, keasaman umpan dalamdalam hal ini memakai HCI sebesar 4 M, pemakaianTapa 5% dan untuk mengaduk sistem 20 mlmemerlukan waktu 15 menit dan kecepatanpengadukan selama proses ekstraksi pada 300 rpmmemberikan faktor pisah Dy- Y 2,015 ; Dy-Gd20,72. dan Kd untuk Dy sebesar 2,112

DAFTAR PUSTAKA

1. LESTER L.K., MORTON.S and FHSPEDDlNG., Solvent Extraction Equilibria ForRare Earth Nitrate-Tributyl Phosphate System.,ISC-766 USAEC, USA (1956).

2. HANSON.C., Recent advanced in Liquid-liquidExtraction., Pergamon. Press, Oxford. (1971).

3. PRAKASH. S., " Advanced Chemistry of RareEarth Element"., 4 ed , S. Chand. Co. Ltd., NewDelhi (1975).

4. RITCEY GM and ASHBROOK AW., SolventExtraction., ESPC, New York. (1979).

5. ISHIMORI,T., and NAKAMOTO. E., Data ofOrganic Solvent Extraction., JAERI 1047(1963).

6. HUNG;TM., HORNG, J.S, and HOH Y.c."Stripping Rare Earth From Its Loaded Di (2­ethyl hexyl) Phosphate Complex by OxalicAcid" Chemical Engineering Division., Instituteof Nuclear Energy Research, Taiwan (1991).

TANYA JAWAB

Sri Widiyati~ Selain HCl apakah bisa dengan asam yang lain

untuk pengenceran Tapa?~ Apakah sudah pemah dilakukan selain dengan

HCI?

Suprihati-¢> TOPO bisa diencerkan dengan asam sefain

HCf misafnya HNOJ• H2S0~dan fain-fain.-¢> Sudah pernah dicoba dilakukan dengan

pefarul HNOJ.

224 ISSN 1410 - 8178 Suprihati, dkk