ANALISIS KADAR AIR DI DALAM SERBUK UO2 DENGAN CARA GRAVIMETRI Noor Yudhi, Pranjono, Aminhar Lakoni. Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar dan Daur Ulang

ABSTRAK ANALYSIS KADAR AIR DI DALAM SERBUK UO2 DENGAN CARA GRAVIMETRI. Telah dilakukan penentuan kadar air di dalam serbuk UO2 dengan cara gravimetri. Metode gravimetri sangat teliti dan mudah untuk menentukan kadar air didalam serbuk UO2. Sampel ditimbang,dimasukkan ke dalam cawan yang telah didinginkan dan di simpan dalam desikator. Panaskan sampel di dalam tungku pemanas minimal 4 jam dan dinginkan dalam desikator dan ditimbang. Analisis kadar air didalam serbuk UO2 dipengaruhi suhu dan ukuran butir. Parameter suhu dan ukuran butir diamati dalam percobaan ini. Pada suhu 40-110 oC dan ukuran butir 80-400 mesh, kadar air berkisar antara 0.292% - 0.313% dengan kesalahan analisis berkisar antara 4.225%15.66%. Sedangkan ukuran butir didalam UO2 berpengaruh terhadap kesalahan analisis. Kesalahan analisis terkecil sebesar 4.225% pada suhu 110 oC untuk ukuran butir 400 mesh. Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa, analisis kadar air didalam serbuk UO2 dapat dilakukan pada suhu 110 oC dan pada ukuran butir lebih besar dari 400 mesh. KATA KUNCI : Analysis, kadar air (%air), gravimetri ABSTRACT THE ANALYSIS OF WATER CONTENTS IN URANIUM DIOXIDE POWDERS BY GRAVIMETRIC METHOD. The analysis of water contents in uranium dioxide powders by gravimetric method has been performed. It is the most precise and easiest to use method for determination of water contents in uranium dioxide powders. Sample is weighed into crucibles, which have been cooled and stored in a desiccator. Heat sample in furnace for a minimum of four hours and cool in desiccator and reweigh. The analysis of water contents in uranium dioxide powder is influenced by the temperature and the particle size. The temperature and the particle size of parameter is investigated in this experiment. At the temperature 40-110 centigrade and the particle size 80-400 mesh, The water contents between 0.292% and 0.313% with the analysis of error between 4.225% and 15.66%. Meanwhile the particle size in uranium dioxide powder influences the analysis error. The smaller analysis error is 4.225% at the temperature 110 centigrade and the particle size 400 mesh. From the result of the analysis, it can be concluded that. At the temperature 110 centigrade and the bigger than particle size 400 mesh can be used for the analysis of water contents in uranium dioxide powder. KEY WORDS : Water analysis, water contents (%water), gravimetry.

1

PENDAHULUAN Kadar air yang terkandung di dalam serbuk UO2 sebagai bahan bakar reaktor daya harus memenuhi spesifikasi sesuai yang dipersyaratkan . Kadar air dalam serbuk UO2 dapat berubah-ubah (terjadi penambahan berat) selama penyimpanan, yang tergantung pada kondisi penyimpanan dan jenis serbuk UO2. Kondisi penyimpanan biasanya ditentukan oleh tempat dan jenis kemasan, humidity (kelembaban) dan temperatur ruangan. Sedangkan jenis serbuk meliputi besar butir, proses pembuatan serbuk UO2 (dari proses AUC atau ADU). Besar butir sangat berpengaruh terhadap luas permukaan butir.rDengan

sifat tersebut maka, UO2 perlu dianalisis setiap waktu sebelum

diproses menjadi bahan bakar, dan perlu metoda analisis yang baku sehingga analysis tersebut dapat dipertanggung jawabkan kebenarannya. Selama ini analisis kadar air dalam serbuk UO2 telah dilakukan yaitu dengan cara memanaskan pada suhu 110o

C dalam suasana gas N2 atau

tanpa gas N2. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kadar air dalam serbuk UO2 berfluktuasi, tidak stabil dan sulit untuk diramalkan. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh beberapa parameter yang mempengaruhinya, misalnya suhu, variasi butir, dan cara analisis. Maka dari itu dalam percobaan ini akan dicoba pengukuran kadar air dalam serbuk UO2 dengan variasi suhu pemanasan dan variasi diameter butir. Sedangkan waktu pemanasan dan berat contoh tetap yaitu waktu 4 jam dan berat contoh 5 gram. [1] Percobaan ini bertujuan memperoleh karakteristik kadar air dalam serbuk akibat pemanasan dan variasi besar butir serbuk UO2, sehingga dapat diketahui suhu dan ukuran butir yang optimum untuk analysis kadar air. Peralatan yang dipakai adalah tungku pemanas (Tungku pemanas), pemanasan tanpa N2 dan penghitungan kadar air dilakukan dengan metode gravimetri. Metoda gravimetri (untuk kadar air) adalah analisis kuantitatif yang dikerjakan dengan cara pengukuran berat bahan sebelum dan setelah pemanasan, kimiawi. selama bahan yang dianalisis tidak terjadi perubahan sifat

2

HIPOTESA Selama ini analysis kadar air didalam serbuk UO2 sudah dilakukan dengan alat MEA dan alat tungku pemanas, tapi hasilnya berfluktuasi dan memberikan kesalahan analysis yanfg tinggi (diatas 10%). Untuk memperoleh hasil analysis tepat dan teliti, dicoba analysis dengan alat tungku pemanas menggunakan metoda gravimetri . Untuk memperoleh hasil analysis yang diinginkan, digunakan cara kerja baku yang sudah ada (ASTM). Serbuk UO2 yang dianalisis ukuran butirnya tidak homogen, dan selama pemanasan terjadi penguapan air yang tidak sama antara butir yang halus dengan butir yang kasar. Dalam waktu pemanasan yang sama, suhu yang lebih tinggi akan memberikan kecepatan penguapan yang lebih cepat dibanding suhu

pemanasan yang rendah karena pada suhu yang lebih tinggi difusi air dari dalam butir akan lebih cepat keluar. Sedangkan butir halus memberikan luas permukaan yang lebih besar dibanding butir kasar. Akibatnya kandungan air dalam serbuk halus lebih cepat menguap dibandingkan butir kasar pada waktu dan suhu pemanasan yang sama. Suhu pemanasan dalam percobaan berkisar 40 s/d 110 oC dan ukuran butir berkisar 80 s/d 400 mesh. Dari penelitian diharapkan dapat diketahui suhu dan ukuran butir yang tepat (optimum) untuk analisis kadar air dalam serbuk UO2 sehingga hasilnya dapat teliti. Dengan dasar ini dilakukan percobaan analysis kadar air dengan variasi suhu pemanasan dan ukuran butir.

TEORI Analisis kadar air Ada beberapa metode analysis kadar air didalam oksida logam diantaranya : 1. Analisis kadar air dengan metode gravimetri, ada 2 macam. a. Dengan alat Moisture Evolution Analizer ( MEA ). [2] Alat ini terdiri dari tungku pemanas pemanas berupa tabung, electrolitic cell yang berisi P2O5 sebagai penyerap air, alat cacah elektronik dan detektor platina yang dapat mengkonversi mikrogram air menjadi jumlah cacah tertentu dan gas nitrogen sebagai pembawa uap air kedalam elektrolitik cell. Alat MEA dapat menganalisis zat padat secara kuantitatif dengan sampel yang sangat kecil, 10 mgram. 3

Rumus : K ( Csampel Cblanko ) Kadar Air ( % ) = Wt sampel F x Wt standar K = x 100% ( Cstandard Cblanko )

K C sampel C Blanko Wt sampel F Wt standar

= Faktor kalibrasi = Jumlah cacah sampel = Jumlah cacah blanko = Berat sampel (mgrm) = kadar air standard ( % ) = Berat standard (mgrm)

b. Dengan alat tungku pemanas. [1] Alat ini berupa tungku pemanas, merupakan alat yang sederhana yang digunakan untuk analysis gravimetri.

B awal B akhir Kadar air ( % ) = B awal B awal B akhir = Berat sampel sebelum dipanaskan = Berat sampel setelah dipanaskan x 100 %

2. Analysis kadar air dengan metode Karl Fisher. [3] Analysis kadar air dengan metode Karl Fisher dilakukan dengan cara titrasi, dan dikerjakan dengan alat potensiometer. Metode ini dapat untuk menganalisis zat cair maupun zat padat dan dapat dilakukan secara cepat. Analysis dilakukan dalam medium alkohol yang bebas air dan dititrasi dengan pereaksi Karl Fisher. Pereaksi Karl Fisher mengandung imidazole, sulfure dioksida, dan iodin yang dilarutkan didalam diethylene glycol mono methyl ether atau alkohol.

4

Reaksi yang terjadi : CH3OH + SO2 + RN ( RNH )SO3CH3. (RNH )SO4CH3 + 2 ( RNH ) I. H2O + I2 + ( RNH )SO3CH3 + 2 RN

Kandungan air yang ada dalam contoh dapat dihitung dari kebutuhan titran dikalikan WE ( kesetaraan titran dengan air ). Rumus yang digunakan ada 2 : WE = mgH2O / a . (1) . (2)

%H2O = a (WE) / e (100%) a WE e = banyaknya titran = Water equivalen = berat dari contoh

METODA Metoda yang digunakan dalm analysis kadar air adalah cara gravimetri sedangkan parameter percobaannyayaitu variasi suhupemanasan dan ukuran serbuk UO2. Sampel seberat 5 gram dipanaskan pada suhu yang bervariasi sekisar 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 dan 1100C waktu pemanasan 4 jam. Dari suhu tersebut dipilih suhu optimal yang memberikan kadar air stabil. Pada percobaan selanjutnya ditimbang serbuk UO2 sebanyak 5 gram dengan ukuran butir yang bervariasi, 1. < 80 mesh, 2. 80 120 mesh, 3. 120 400 mesh dan 4. > 400 mesh waktu pemanasan 4 jam serta suhu pemanasan optimal ( hasil percobaan 1 ). Untuk menjaga agar hasil pemanasan tidak mudah menyerap air maka ditempatkan dalam desikator dengan bahan isian CaSO4 yang sebelumnya dipanaskan, serta pendinginan serbuk selama 18 jam sebelum dilakukan penimbangan terhadap sampel. Perhitungan kadar air dipakai metoda statistik dengan memperhitungkan standar deviasi dan kesalahan terkecil.

HASIL DAN BAHASAN Hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel. 1 dan Tabel. 2 , kemudian ditunjukkan pada Gambar-1, Gambar-2 dan Gambar-3. Pada gambar 1 terlihat bahwa variasi suhu pemanasan 400C 1100C dapat memberikan perubahan 5

kadar air yang terhitung dalam serbuk UO2. Semakin tinggi suhu pemanasan kadar air dalam serbuk UO2 semakin meningkat yaitu antara 0,261% sampai dengan 0,293%. Pada suhu pemanasan antara 600C 1100C kadar air serbuk UO2 yang diperoleh berkisar antara 0,290% - 0,293%. Kadar air pada suhu tersebut sudah maksimal. Hal ini disebabkan karena pada suhu tersebut (60 1100C ) air lebih mudah teruapkan sehingga kandungan air didalam serbuk UO2 relatif lebih besar. Pada percobaan ini dipilih suhu 110 oC, karena pada suhu 110 oC diharapkan penguapan sudah maksimal.selain itu pada suhu tersebut digunakan untuk pemanasan isian desikator(CaSO4). Dilihat dari Gambar-1, seandainya pemanasan dilanjutkan pada suhu yang lebih tinggi, maka kandungan air didalam serbuk UO2 lebih banyak teruapkan. menjadi U3O8 yang dapat menyebabkan perubahan berat. Hal ini tidak

dilakukan, karena pada suhu yang lebih tinggi dikawatirkan terjadi oksidasi UO2

Suhu pemanasan vs Kadar air, %0.3 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 40 50 60 70 80 90 100 110Suhu pemanasan, oC

Kadar air, %

Gambar 1. Pengaruh suhu pemanasan terhadap kadar air UO2

Dari Gambar 2 dan 3, terlihat bahwa kehalusan butir dapat mem pengaruhi kadar air terhitung dan kesalahan analysis dalam serbuk UO2. Semakin halus ukuran butir ( < 80 mesh > 400 mesh ) maka kadar dalam serbuk UO2 semakin meningkat ( 0,292% 0,313% ) dengan kesalahan analysis yang semakin menurun ( 15,66% 4,225% ) . Dengan demikian

ukuran serbuk UO2 yang lebih halus ( > 400 mesh ) kadar airnya 0,313% dan mempunyai kesalahan analysis terkecil sebesar 4,225%. Hal ini dapat

6

dikatakan bahwa untuk serbuk UO2 > 400 mesh pemanasan 1100C, 4 jam hasil kadar air lebih stabil. Dilihat dari ukuran butir, serbuk UO2 yang halus mempunyai luas muka yang lebih besar dibandingkan dengan serbuk UO2 kasar. Sehingga luas kontak pemanasan lebih besar, dan akhirnya air dalam serbuk UO2 lebih mudah teruapkan. Disamping itu untuk serbuk yang lebih halus, jarak bagian dalam serbuk dengan permukaan serbuk lebih pendek. Akibatnya waktu difusi air dari dalam serbuk ke permukaan lebih cepat. Hal ini terlihat bahwa kenaikan kadar air maksimal setelah pemanasan 4 jam diperoleh pada ukuran butir > 400 mesh.

Ukuran butir, mesh vs Kadar air, %0.32 Kadar air, % 0.31 0.3 0.29 0.28 400 Ukuran butir, mesh

Gambar 2. Pengaruh ukuran butir terhadap kadar air

7

Ukuran butir, mesh vs Kesalahan analisis, %

Kesalahan analisis, %

20 15 10 5 0 400 Ukuran butir, mesh

Gambar 3. Pengaruh ukuran butir terhadap kesalahan analysis.

KESIMPULAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa : 1. Suhu dan ukuran butir berpengaruh terhadap analysis kadar air didalam serbuk UO2 2. Suhu pemanasan untuk kadar air yang stabil terjadi mulai dari suhu 600C 1100C dan suhu pemanasan optimal dilakukan pada suhu 1100C. 3. Makin halus ukuran butir (> 400 mesh) kadar air dalam serbuk UO2 yang teruapkan makin besar (0,313%) dengan kesalahan analysis paling kecil (4,225%). DAFTAR PUSTAKA 1. ASTM STANDARD, Designation 696-80, Standard Methods for Chemical, Mass Spectrometric, and Spectrochemical Analysis of Nuclear-Grade Uranium Dioxide Powders and Pellets, American National Standard Institute, (1980), p53-54. 2. INSTRUCTRUCTION MANUAL, Moisture Evolution Analizer 903, Wilmington (1980), p1-11. 3. HYDRANAL MANUAL, Eugen Scholz Reagents for Karl Fisher Titration , Seelze, (1992), p.1-47.

8

Pengaruh suhu pemanasan terhadap kadar air dalam serbuk UO2No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Hasil analisis 40 o C 0.279 0.257 0.277 0.250 0.256 0.248 60 o C 0.303 0.281 0.290 0.290 0.296 0.292 80 o C 0.304 0.283 0.291 0.286 0.292 0.289 100 o C 0.302 0.291 0.290 0.288 0.289 0.294 Kdr.air rerata No. 1. 2. 3. 4. 5. 6.. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Hasil analisis 50 o C 0.280 0.277 0.268 0.266 0.275 0.278 70 o C 0.287 0.289 0.288 0.295 0.290 0.294 90 o C 0.311 0.285 0.295 0.288 0.290 0.291 110 o C 0.299 0.294 0.285 0.280 0.292 0.290 Kdr. Air rerata

0.261 %

0.274 %

0.292 %

0.291 %

0.291 %

0.293 %

0.292 %

0.290 %

9

Pengaruh ukuran butir terhadap kadar air dalam serbuk UO2No. Hasil analisis Kdr.air rerata No. Hasil analisis Kdr.air rerata

X < 80 mesh 1. 2. 3. 4. 5. 6. 0.298 0.334 0.287 0.258 0.280 0.296 120-400 mesh 1. 2. 3. 4. 5. 6. 0.286 0.295 0.313 0.280 0.298 0.285 1. 2. 3. 4. 5. 6. 1. 2. 3. 4. 5. 6..

80 120 mesh 0.311 0.333 0.289 0.295 0.260 0.290 X > 400 mesh 0.319 0.318 0.319 0.310 0.307 0.302

0.292 % 0.02288 15.66%

0.296 % 0.02227 15.03%

0.293% 0.01088 7.43%

0.313% 0.0066 4.225%

10