PEMISAHAN ION FLUORIDA DALAM SEL ELEKTROLITIKMENGGUNAKAN MEMBRAN TUKAR ANION

Fathurrachman,SunardiPusbangtek Bahan Bakar NukJir dan Daur Ulang, BATAN, Kawasan PUSPIPTEK Gd. 20, Serpong,Tangerang /5310

ABSTRAK

PEMI5AHAN ION FLUORIDA DALAM 5EL ELEKTROLfTIK MENGGUNAKAN MEMBRANTUKAR ANION. Pemisahan ion fluorida dalam set elektrolitik menggunakan membran tukaranion (MTA) yang disebut pula proses elektrodialisis telah difakukan. Percobaan difakukanpads suhu kamar dalam sebuah set elektrolitik terbuat dari bahan fleksiglas yang terdiri etasdue bifik anode dan katoda yang dipisahkan oleh MTA berukuran 4 cm x 4 cm. Elektroda yangdigunakan adalah karbon dan baja nirkarat (55) sebagai katoda dan pt sebagai anoda. Anolitadalah 0,3 M HNO3, sedangkan katolit adalah 0,3 M NaF saja dan campuran 0,3 M NaF denlarutan uranium nitrat pada percobaan pemisahan ion fluorida dan uranium. Jarak antaraelektroda dan membran adalah 1,5 cm dan dibuat tetap. Parameter yang diamati adalahtegangan listrik arus searah, katoda yang digunakan, dan kadar U. Hasif penelitianmenunjukkan bahwa ion fluoride yang terpindahkan pada larutan fluorida bebas U selama 3 jamdengan katoda karbon dan tegangan 10 volt adalah sekitar 50 %, sedangkan dengan katoda5S sekitar 93 %. Pada larutan mengandung U, ion fluorida yang dapat dipindahkan ke bifikanoda berkisar 78 % selama 3,5 jam dan uranium tetap berada di bifik katoda berupa padatankuning Na2U207 yang m9nempel di katoda dan endapan putih NaUFs yang berada pada dasarbifik.

ABSTRACT

SEPARA TION OF FLUORIDE IONS IN AN ELECTROL YTIC CELL BY USING AN ANIONEXCHANGE MEMBRANE. Separation of fluoride ions in an electrolytic cell with an anionexchange membrane which is so-called an electrodialysis prpcess has been pelfom7ed. Theexperiment have been taken p!ace in room temperature in an electrolytic cell made by plexiglasconsisted on anode and cathode chambers separated by an anion exchange membrane indimension of 4x4 cm. The carbon and stainless steel are applied as an anode and platinum as s'cathode. The anolyte is a HNO3 0.3 M solution, while a solution of NaF 0.3 M, and a mixture ofNaF 0.3 M containing uranyl nitrate solution for separating of fluoride ions and uranium are usedas a catholyte. The distance between the electrode and the membrane is 1.5 cm and thisdistance is kept constant. The parameters observed are the current voltage, cathode applied,and uranium concentration. For the solution without uranium, the results show that the fluorideions transferred are around 50 % using carbon as a cathode for 3 hours and the voltage of 10volts, while for 5S as a cathode are around 93 %. For the solution containing uranium, thefluoride ions transferred are around 78 % for 3.5 hours and the uranium ions remain in thecatholyte in which most of them are as 8 yellow deposit of Na2U207 on the cathode sulface andothers are as a white precipitate of NaUF5 on the bottom of the cathode chamber.

masih pula mengandung uranium agak tinggi yang

tidak berhasil diendapkan. Oi sam ping itu, iontluorida juga muncul dalam kandungan air cuci padamenara cuci gas buang pembuatan serbuk UF4 yangberasal dari serb uk UO2. Pemungutan kembali Udalam larutan yang disebut limbah atau larutanberkadar U di bawah 50 mgram/literll) kadangkalamengalami kesulitan akibat adanya ion tluoridayang mengganggu proses pemungutannya. Oleh

PENDAHULUAN

S alah satu limbah atau efluen yang ditimbulkanselama proses pembuatan elemen bakar reaktor

riset clan yang mengandung ion fluorida adalahberasal dari proses pengendapan gas UF6 olehlarutan amonium karbonat clan gas-gas CO2 <;tanNH) yang membentuk endapan amonium uranilkarbon at (AUK). Filtrat dari saringan endapan AUKmengandung ion fluorida berkadar cukup tinggi clan

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

46 ISSN 0216-3128 ra/urrachman. dkk

katolit mampu menerobos MT A dan masuk keanolit.

Kemungkinan reaksi elektrokimia dalambilik ~ (oksidasi) yang berisi molekul H2O, ionH+, NOJ., dan ion fluorida dan ion OH" yangteralihkan dari bilik katoda ke bilik anoda adalahsebagai berikur41 :

HN03 ~ H+ + NOJ"2H20 ~ 4H+ + 02 +4e EO = -1,23 V2H+ + 2OH. ~ 2H202F- ~ F2 +2e. Eo = -2,87 V

F- + H+ ~ HF

karena itu, diperlukan teknik untuk memisahkan ionfluorida dalam efluen atau limbah cair.

Usaha untuk memisahkan ion fluoridadalam limbah cair telah dicoba dengan tarapengendapan ion fluorida menggunakan koagulanlarutan kalsium khlorida. Ion fluorida yang masihtertinggal dalam beningan diendapkan dengan tawas& polielektrolit kationik resin WWS (Waste WaterSoftener) 116[2).

Ion fluorida sangat reaktif terhadap kaca,sehingga metoda pemisahan ion terse but kurangsesuai bila dilakukan dengan teknik ekstraksi pelarutskala pilot yang menggunakan peralatan terbuat dari

gelas.HNO3 + 3F- + 20H" (:> 2H+ + NO3" + HF + F2(g) + 02(g) + 6e

Harga potensial H2O lebih tinggi dari pada ion F",sehingga molekul H2O lebih mudah teroksidasimembentuk gas O2 dan H+, kemudian diikuti reaksioksidasi ion F- membentuk gas F2' "

Kemungkinan reaksi elektrokimia dalambilik ~ (reaksi reduksi) yang berisi larutan NaF(tanpa uranium) akan mengandung ion ion sepertiF", Na+, H+ dan OH" yang berasal dari molekul H2Oadalah sebagai berikut :

Na+ + e' <;::> Na Eo = -2,71 Volt

2H20 + 2e- <;::> H2(g) + 20H- Eo = -0,83 Volt

Kemungkinan lain adalah penggunaanteknik elektrodialisis dalam set elektrolitik yangmemanfaatkan MTA guna memisahkan bilik anodadan bilik katoda. Keuntungan metodaelektrodialisis adalah(3). :I. Ion fluorida dalam bilik katoda (katolit) akan

menerobos membran menuju anoda sehinggapad a waktu tertentu kadar F" di katolit menurun.

2. Pad a waktu yang sarna uranium valcnsi VI(UO;+) dalam bilik katoda itu akan tereduksimenjadi U bervalensi IV (U4+).

Elektrodialisis (ED) adalah suatu prosespemindahan ion-ion dari suatu larutan melaluimembran dengan pengaruh arus listrik langsung.Secara umum proses tersebut dilakukan di dalam setelekktrolitik dua atau tiga bilik yang dipisahkan olehmembran-membran ion selektif dan masing-masingbilik diberi elektroda. Membran tukar anion (MT A)selektif terhadap anion-anion, dan membran tukarkation (MTK) selektif terhadap kation-kation ketikapotensial elektroda diterapkan. Bila proses EDmenggunakan multibilik yang berisi MTA dan MTKmaka kation M+ cenderung bergerak ke arah katodayang bermuatan negatif sekaligus mampumenerobos MTK, tetapi tidak mamPU menerobosMTA. Di sisi lain, ion X" cenderung bergerak kearah anoda yang bermuatan positif dan mampumenerobos MT A dan tidak mampu menerobosMTK.

Na+ +2H20 +3e (::> Na + H2(g) + 20H"

Perlu diperhatikan potensial reduksi standar pndareaksi di atas, Potensial reduksi Na lebih kecildaripada potensial reduksi H+ (Eo = 0,00 V),

sehingga ion Na+ lebih sukar direduksi dari pada ionH+, Potensial reduksi H2O lebih besar hiladibandingkan dengan potensial i'eduksi Na+,sehingga lebih mudah mengalami reduksimembentuk H2 dan OH-,

Bila katolit yang berisi larutan NaFmengandung uranil nitrat, kemungkinan reaksielektrokimia dalam ~ adalah sebagai berikur4.51 '

UOz+z ...4H+... 2e- (::) U4+... 2HzO Eo : ~,33 VU4+ + 5F" (::) UF5" "

UF5- +Na+ (::) NaUF5 (endapanpulih)4H20 ...4e- (::) 2Hz +40H" Eo: -0,83 V2Na+ +2UOz+z -+60H- (::) NazUzO7 (endapan kuning) + 3HzO__-

Pada setiap proses elektrokimia, reaksiyang terjadi pada kedua elektroda dalam selelektrolitik tergantung kepada[41:1. Jenis elektroda yang digunakan2. Keadaan dan jenis kation dalam elektrolit3.

Suhu4. Beda potensial antara kedua elektroda

Proses ED dalam penelitian ini berupa satusel e1ektrolitik dua bilik yang dipisahkan oleh MT Aseperti yang terlihat dalam Gambar I. Bila anolitberupa larutan asam nitrat dan katolit berupa larutanNaF, maka ion H+ dalam anolit tidak dapatmenerobos MT A, tetapi ion F. dan ion OH. dalam

~---

3UO2+2 oj- 4H+ + SF- + 3Na+ oj- 20H- oj- 6e ~ NaUFs oj- Na2U201 +

H2O + 2H2

Pad a saat elektrodialisis berlangsung, bilik katodaakan kehilangan 2 molekul H2O yang berubahmenjadi 20H" dan teralihkan ke bilik anodamenerobos MT A.

Percobaan ini bertujuan untuk mencari dataproses pemisahan ion fluorida dalam efluen tanpauranium atau mengandung uranium pada suhukamar untuk mendapatkan produk efluen yangberkadar fluorida serendah-rendahnya denganmemakai sel dua bilik yang dipisahkan oleh

Prosiding Per1emuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BA TAN Yogyakar1a. 25 -26 Juli 2000

Fathurrachman, dkk ISSN 0216-3128 47

selembar membran organik MT A buatan BDH danelektroda platina digunakan sebagai anoda danelektroda karbon atau 55 sebagai katoda. Parameterproses yang akan dicoba adalah tegangan listrik, danmacam elektroda yang digunakan. Tujuan lainadalah mencari teknik altematif pemungutanuranium di pabrik pembuatan elemen bakar reaktorriset atau fasilitas lain yang mempunyai efluenmengandung ion fluorida.

selanjutnya percobaan diulangi pada tegangan 8, 10,clan 12 volt.

Percobaan berikutnya adalah bertujuanuntuk rnernisahkan ion fluorida dengan uraniurn.Larutan urnpan berupa UN dengan kadar urnpan5000 rngU/l tercarnpur dalarn larutan 0,3 M NaFsebagai katolit sebanyak 100 rnl. Katoda terpilihadalah SS. Sejurnlah 100 rnl HNO3 0,3 M tetapdipakai sebagai anolit dengan rangkaian alat sepertiGarnbar 1. Tegangan awal diatur pad a besaran 10volt. Pararneter yang dicatat adalah suhu, arus, kadarF- pad a anolit rnaupun katolit setiap 30 rnenit. Padaakhir percobaan kadar ion fluorida clan U keduabilik ditentukan!6. 7]. Langkah di atas diulangi untukrnengarnati pernisahan ion fluorida dengan Uberkadar 100 rng/l. Fluor dianalisis rnenggunakanalat Potensiorneter yang dilengkapi elektroda ionselektif F clan elektroda pernbanding, sedanguraniurn dianalisis rnenggunakan alat Potensiorneterberdasarkan reaksi redoks.

TATA KERJA

BahanBahan yang dipakai berupa larutan natrium

flourida, asam nitrat, uranil nitrat, membran tukaranion MT A buatan BDH, Buffer TISAB (TotalIonic Strengths Adjuster Buffer), air bebas mineral,segenap bahan kimia untuk analisis. Semen tara,skema sel elektrolitik yang dilengkapi dengan MT Adapat dilihat pada Gambar 1. Sel tersebut dilengkapidc power supply untuk pembangkit tegangan danarus searah, termometer, multi tester untukpembacaan arus listrik, potensiometer, NeracaAnalitik Sartorius, PH meter berikut elektrodanya,alat-alat gelas.

pt (+) C/SS (.)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Keterangan:

A = Bilik AnodaK = Bilik KatodaMTA = Membran Tukar AnionM = Pengaduk magnet

Gambar J. Unit Percobaan Elektrodialisis.

Metode

Sebanyak 100 ml larutan HNO3 0,3 Mdimasukkan ke dalam bilik anoda dan 100 mllarutan NaF 0,3 M pada bilik katoda denganrangkaian elektroda seperti Gambar 1. Padapercobaan awal digunakan elektrode Pt dan Karbon.Sumber arus dihidupkan kemudian tegangan diaturpada posisi 4 volt. Arus dan suhu yang ditimbulkandicatat setiap 30 menit, cuplikan diambil sebanyak0,3 ml pada kedua bilik. Cuplikan ditentukan kadarfluoridamya menggunakan buffer TISAB. Langkahdi atas diulangi untuk tegangan 6, 8, 10, 12, dan 14volt.. Percobaan selanjutnya dikenakan pad a katodaSS dengan umpan dan rangkaian sel elektrolitikyang sarna. Tegangan awal dimulai 6 volt, dan

~

-

Variasi Tegangan menggunakanelekktroda Pt/ C

Gambar 2 menunjukkan bahwa konsentrasifluorida pada katolit menurun dengan naiknyategangan clan lama waktu elektrodialisis. Kenaikantegangan mengakibatkan arus listrik bertambahbesar, sehingga penurunan konsentrasi fluorida padakatolit semakin besar dalam waktu yang lebihsingkat. Dalam Gambar terlihat bahwa penurunankadar fluorida terbanyak pada tegangan 14 volt (78%), sementara pada tegangan 8 volt hanya sekitar 20% setelah 3 jam proses elektrodialisis berlangsung.Kenaikan tegangan di atas 14 volt tidak dapatdilaksanakan, karena katoda karbon menjad-i rapuhdan rontok.

120 'T,;:::;';;7

100 I

! 80u.

60

40 --4v --6v

20-)(-10v -X-12v --14v

0 0 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3,5

Waklu. jam

Gambar 2. Hubungan antara konsentrasi ion F (0/0)dalam katolit dengan waktuelektrodialisis (katoda karbon).

Segenap anion pada bilik katoda sepertiseperti ion Fo, ion OHO akan berkompetisi menuju

Prosiding Per1emuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakar1a, 25 -26 Juli 2000

48 ISSN 0216-3128 Faturrachman. dkk

anoda (anolit) membentuk ion HF dan H2O yangmenyebabkan volum katolit pada bilik katodaberkurang karena kehilangan ion F" dan ion OH",seiring dengan kenaikan tegangan dan lamanyawaktu yang digunakan. Penurunan volum padakatolit dapat disebabkan juga oleh terbentuknya gashidrogen pada katoda yang terlepas ke lingkungandan naiknya suhu larutan selama reaksj reduksiberlangsung. Turunnya volum katolit dan naiknyavolum dalam anolit sesuai dengan persamaan reaksi4 dan 5.

&00 -'--'"' ~-~-~~..'.~."

Akan tetapi, pada tegangan di atas ilUkecenderungan F2 yang hilang akan menurun yangdisebabkan ion NO) pada bilik anoda telah terikatoleh dinding sel anoda yang ditandai dengan lapisancoklat kehitaman. Oengan demikian, ion fluoridayang bermigrasi ke anolit akan mudah terbentukmenjadi HF.

Oi sisi lain, larutan NaF pada bilik katodamakin kehilangan ion fluorida sehingga yangtertinggal adalah ion Na+ dalam larutan bersamadengan sisa ion tluorida.

Bila titik yang dibuat oleh hubungan antaradensitas arus dan tegangan 14, 12, 10, dan 8 voltpada Gambar 5 dibuat garis lurus dan hila garisterse but diekstrapolasikan, maka garis tersebut akanmemotong sumbu X pada angka sekitar 8 volt.Tegangan ini adalah yang terendah yang harusdipasang untuk proses elektrodialisis menggunakankarbon.

0,04 T ~

~~ -~~~-

-+-4 V --6V -.-8V-M- 1 0 V --12 V -.-14~.:..:..:.. ~ --~--7;/~~~~;=:

~ ~ 1

~;.;.4-~~~-:':~~~

.,,4(XXJ101 IE '

u:~""OJIV

2(XX)

1(xx)..

01.,.t~ 0.03 t --

II) I

~o.02T.-5 I..~ 0.01 t --a .

0 0,5 1 1.5 2 2.5 3 3,5IJ'&j ee\lrcxjalisis, Ja

Gambar 3. Hubungan antara konsentrasi ion Fda/am ano/it dan waktu e/ektrodia/isisKaoda karbon).

Gambar 3 terlihat bahwa kecenderunganion F- yang masuk pada bilik anoda memperlihatkankonsentrasi yang makin menaik denganbertambahnya waktu clan tegangan, clan ion fluorteralihkan paling banyak pada tegangan 14 volt. Halitu membuktikan adanya gerakan ion fluorida dibilik katoda yang tertampung pada bilik anodasemakin besar. Ion F yang teralih ke bilik anodatidak semuanya membentuk larutan HF, tetapi adasebagian ion F- yang teroksidasi membentuk gas F2.Oksidasi ion F- menjadi F2 semakin banyak seiringdengan kenaikan tegangan yang digunakan. Hal ituterlihat dari selisih jumlah ion F- mula-mula denganion F yang masuk ke anolit clan sisanya berubahmenjadi F2. Data ini jelas diungkapkan dalamGambar 4 pad a tegangan 4 sampai 10 volt.

8D&X) ---4V -e-6V ---

"" -.-8V ""*-10V~ --e-12V --14V c.j3)) ---:co:m ~u:

100 0

0 0.5 1 1.5 2 45 3 3.5~~Ja

Gambar 4. Hubungan antara ion F hi/ang danwaktu elektrodialisis (katoda karbon).

/-/I-/

/

A-/

ol..~4 8

-I-

12

J

16T ~ar'Jan. volt

Gambar 5. Hubungan antara tegangan don densitasarus (katoda karbon).

Pacta Gambar 5 terlihat pula bahwa makinbesar tegangan yang digunakan makin besardensitas arus membran. Tegangan 8 sampai 14 voltmerupakan tegangan operasional yang baik, karenaterjadi peningkatan arus yang tajam. Pacta kisarantegangan tersebut, gerakan ion fluorida yang

terpindahkan meningkat dengan jelas seperti yangditunjukkan Gambar 2 dan 3. Di sam ping itu,terlihat pula bahwa pad a tegangan di bawah 8 voltdensitas arus begitu rendah sehingga perpindahanion fluorida dari katoda ke anoda terbukti kurangberarti pada Gambar 2 dan 3. '.

Variasi Katoda menggunakanelektroda Pt/SS

Pad a percobaan ini katoda karbon

digantikan oleh SS untuk melihat apakah ada

perbedaan dalam pengalihan ion fluorida dalam sel.

Luas muka elektroda karbon dan SS yang digunakan

adalah sarna, yaitu 9 cm2. Temyata, elektroda baja

nirkarat (SS) memberikan basil yang lebih baik hila

dibandingkan dengan elektroda karbon (C). Sebagai

contoh, pada tegangan 6 volt katoda karbon hanya

Pro siding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan T eknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

ISSN 0216-3128 49Fa/hurrachman. dkk

~

0,5 1 1.5 2 7,5 3 as 4

\'&J 8edl\)jaiSs. Ja

7. Hllbungan antara kenaikan konsentrasiF don waktu e/ektrodia/i.\'is do/am ana/it(katoda SS).

0

Gambar

dapat mengalihkan ion fluorida sebesar 12,6 %selama 3 jam (Gambar 2). Sementara, dalamGambar 6 katoda SS dengan tegangan clan waktuyang sarna dapat memisahkan ion fluorida sebesar66 %. Hal ini menunjukkan bahwa dengan luasmuka yang sarna clan waktu yang sarna elektroda SSjauh lebih baik dipakai sebagai katoda dalampemisahan ion fluorida. Adapun kelemahan darilogam SS ini tentunya tidak tahan terhadap ionfluorida, tetapi dalam proses ini larutan yang dipakaibukan bersuasana asam melainkan larutan garamsehingga kelemahan SS dapat diatasi.

1Z> , , ".I I I 1 "

100 __.1___1_- ----+- 61 -+- 81 -.-101~ro ---u.'Tn ro --r.~ if) --Ii)coZ> --~

00 0.5 1 1.5 2 ';.5 3 ~5 4

Wl4u Be<II1:rl.1i9~ ja

Gambar 6. Hubungan an tara konsentrasi ion Fda/am kala/it dan waktu e/ektrodialisis(katoda SS).

Pad a percobaan ini karbon mempunyaisifat yang sangat rapuh bahkan sifat ini mencolokpada tegangan 14 volt yang mulai rontok padategangan tersebut sehingga tidak berfungsi lagisebagai katoda. Di sisi lain, SS sangat mudahmeneruskan arus listrik clan menaikkan suhu larutan,sehingga tidak disukai oleh membran. Seba~aicontoh, pada tegangan 10 volt dihasilkan suhu 32 Cuntuk karbon dan 65 °c untuk SS. Semakin besarsuhu yang ditimbulkan menunjukkan reaksi oksidasidan reduksi juga akan semakin kuat.

Dalam percobaan ini kenaikan suhu yangtinggi tidak dikehendaki mengingat kemampuanmembran yan~ hanya baik bila digunakan pada suhudi bawah 70 C. Di atas suhu itu membran yangterbuat dari campuran resin organik dan plastik akanrusak (keriput) clan tidak efisien lagi dipakai sebagaipemisahan yang baik.

Pada Gambar 6 terlihat bahwa pada kondisitegangan 10 volt ion fluorida yang teralihkan telahmencapai 96% yang berarti pada tegangan ini baikdigunakan sebagai dasar dalam pemisahan ion

fluorida.

0 0,5 1 1.5 2 2.5 3 3.~.'- 4

~tu 8ektrOOiaisis, Ja1I

Gambar 8. Hubungan an tara ion fluorida hilangdon wak/u elektrodialisis (ka/oda SS).

Gambar 8 ini menunjukkan hal yang sarnadengan katoda karbon bahwa makin besar teganganion fluorida yang terlepas juga makin banyak. Halini disebabkan arus yang mengalir juga semakinbesar, sehingga ion fluorida yang teroksidasi akansemakin banyak. Selain itu, telah dikemukakan diat as bahwa katoda SS menyebabkan timbulnya suhuyang tinggi, sehingga ion fluorida mudahteroksidasi. Pada tegangan 6 volt banyaknya ionfluorida yang hilang pada setiap saat hampirmerata, yang berarti arus mengalir dengankenaikkan yang cukup rendah. Namun, padategangan 8 dan 10 volt terjadi kenaikkan arus yangbesar, sehingga oksidasi ion fluorida menjadi F2berjalan lebih banyak terlepas ke lingkungan.

Pada Gambar 9 terlihat bahwa teganganefektif untuk melakukan pemisahan ion fluoridaadalah di alas 4 volt untuk katoda SS, sedangkanuntuk katoda karbon minimal 8 volt (Gambar 5).Apabila densitas arus proses elektrodialisis .denganSS diamati temyata bahwa elektroda SSmembutuhkan arus yang cukup besar hiladibandingkan dengan elektroda karbon. (Densitasarus ini didefinisikan sebagai jumlah arus yangmengalir pada sa at itu per satuan luas membran).Hal ini berarti arus yang digunakan untuk reaksi itu

Gambar 7 mempertegas pengalihan ionfluorida bahwa semakin besar tegangan dan waktuyang digunakan ion fluorida yang teralihkan ke

anolit makin banyak. Ion fluorida terbesar dalam

bilik anoda terjadi pada tegangan 10 volt.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

50 ISSN 0216-3128 Falurrachman. dkk

Harapan dari percobaan ini adalah U (VI)akan tereduksi menjadi U (IV) yang ditandai denganperubahan warna hijau pada bilik katoda, sementaraion fluorida seluruhnya akan beralih ke bilik anoda.Percobaan menunjukkan bahwa U (VI) berubahmenjadi U(IV) walaupun perubahan wama tidakterlihat nyata, tetapi sebagian ion fluorida masihtertinggal dalam bilik katoda karena terlanjurmembentuk endapan komlpeks NaUF.s berwamaputih.

jauh lebih besar, dan tentu saja pengalihan ion F-lebih banyak (Gambar 6),

0,16 I ,---; ,I I I I

0,14 ---j / "~ ' / I

012 ~ ., I I

~ 0,1 J / J.I I'"

2 0,08 ---~ ~ -~< I"'006 ~13 '

.~0,04

~0,02n

_1- --.l , I:- ---~ " ---1- --.f ~ ---

I I ,-"- ,, , , , , , I---, ,- ---, ,- -~ -J , } , I ,

5 6 7 T e vol 9 1Q 11egangan, I

Gambar 9. Hubungan antara densitas arus danwaktu e/ektrodia/isis (katoda SS).

~

Pemisahan U dalam larutan NaFSebagai dasar dari pemisahan ion tluorida

dan uranium adalah proses elektrodialisis tanpa Vpada tegangan 10 volt dengan katoda SS. Padategangan terse but telah menunjukkan hasil

pemisahan yang optimal.Berikut dijelaskan proses pemisahan ion

tluorida dengan adanya U dalam katolit dengan duamacam konsentrasi V. Pada Gambar 10 terlihatbahwa pada larutan 0,3 M NaF (5698 mg/l F)mengandung 100 mgU/l ion tluorida yang dapatdialihkan sebesar 4425 mg/l atau sebesar 77,7 %.Sementara, pada konsentrasi uranium 5000 mg/l iontluorida teralihkan sebesar 4424 mg/l atau 78 %.Hal ini terbukti bahwa pada kisaran konsentrasi Vyang diperiksa (100-5000 mg VII), ion tluoridayang dipindahkan kira-kira sarna, yaitu sekitar 78 %untuk katoda SS. Hasil ini lebih rendah apabiladibandingkan larutan tanpa uranium. Pada Garnbar6, ion tluorida yang terpindahkan sebesar 96,17 %.Hal ini disebabkan uranium membentuk kompleksdengan senyawa tluorida, yaitu berupa gelatin yangdiduga adalah NaUFs sehingga sebagian ion tluorida

ikutterendapkan.~ ~

5(00.0::CIE 4(XX).u:

:xXXI.

2XX)~

fT

, , I I I , tI , , 1 I 1 Ir

,---T---I--~i~-;-~.;--~I 'I 1 , I

-_J- --,--- --'-__L_-J_--I_--, , " I., , I I. j

---J ---1- --' --.j -~ .1- --, 1 , ,, , , ,

1- -~-+-100 ITv' --BXXIITv" J

, , , , , I~ -, ---,- --r ---, ---r ~ ,- --II I I J , , 1

1<XX>

Q.

Pad a konsentrasi U 5000 mgil tel'bentuklapisan berwama kuning bersih yang menyelimutidinding katoda (Na2U2O,). Setelah dianalisistemyata bahwa U yang terkandung pada dindingkatoda sejumlah 4700 mgil yang bebas fluorida, danpad a lapisan bawah terbentuk endapan gelatinberwama putih (NaUFs), sedangkan kadar U padabilik anoda tidak terdeteksi. Hal ini menunjukkanbahwa uranium tidak menerobos membran dan sisaU berada dalam endapan gelatin.

Pada konsentrasi U 100 mgil (cukuprendah) secara visual tidak tampak adanya U baikitu pada dinding katoda maupun pad a endapan yangdihasilkan. Hasil analisis menunjukkan bahwauranium dalam anolit dan katolit tidak terdeteksi.Hal ini berarti pula bahwa uranium yang

membentuk kompleks UFs" segera berubah menjadiendapan putih NaUFs dan tidak sempat menerobosdinding membran bersama-sama ion fluorida,sementara tampak pada dinding katoda terjadilapisan yang setelah dianalisis kadar U-nya sekitar75 mgil. Kecilnya kadar U tak mampu menimbulkanwama kuning pada katoda.

Laju perpindahan ion fluorida ke.. anodaberjalan tidak optimal, karena arus listrik yangmengalir terhalang oleh terbentuknya lapisan padamuka katoda. Hal itu terlihat pada Gambar II yangmenunjukkan bahwa terjadi penurunan ion F" dalamano.Jit.

4fJ»

4@

~~QE:JCXX)u:.-2500

~ ~ --c~c 1500 -0:.: 1CXX> --~ nQo1 U

500 ,0

0 0.5 1 1,5 2 2.5 3 3,5 4

~u eleklraidiasis. Jam

Gambar J J. Hubungan antara konsentrasi ionfIuorida dan waktu e/ektrodia/isisda/am ana/it (katoda SS).

Bila data ion fluorida dalam anolit padaGambar II dibandingkan dengan Gambar 7 terjadiperbedaan konsentrasi yang cukup jauh. Sen:l;entara,

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

~ 6e(jI{Xjaisis, Ja

Gambar 10. Hubungan antara konsentrasi ionfluorida dan waktu pada tegangan 10volt da/am kala/it (katoda SS).

Prosiding Penemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakana, 25 -26 Juli 2000

.hila di tinjau dari ion fluorida yang teroksidasi

menjadi F2 terlihat perbedaan pula pad a Gambar 12dan Gambar 8. Pa'da Gambar 12 terlihat bahwa

konsentrasi ion fluorida yang terlepas ke lingkungandalam bentuk F2 menunjukkan kenaikan sesuai

dengan besamya konsentrasi uranium yangditambahkan. Hal ini disebabkan dengan semakinpekatnya elektrolit yang ada arus dan suhu yangditimbulkan juga bertambah besar. Akibat yangditimbulkan dari peristiwa ini tentunya lajuperpindahan ion F" juga akan bertambah besar.

..efluen mengandung 100 mgU/l, ion fluorida yangterpisahkan sebesar 77,7 %. Kadar U pada anolittidak terdeteksi, U men em pel pada SS sebagaiNa2U2O, sebesar 75 % clan sisanya mengendapdalam bentuk NaUFs.

d. Hasil samping dari teknik elektrodialisis jugadidapatkan produk barn berupa larutan HF dalamanolit yang dapat digunakan untuk maksud lain.

e. Teknik pemisahan dengan elektrodialisis tidak

didapatkan penambahan volum limbahdibandingkan dengan proses pemungutan denganmetoda flokulan dan koagulan.

Saran

Untuk percobaan mendatang disarankanmenggunakan NH4F, agar ares yang ditimbulkandapat diperkecil. Percobaan ini perlu dilanjutkanuntuk mendapatkan optimasi parameter yang tepat,hingga konsentrasi ion fluorida pada katolit dapatteralihkan seluruhnya.

DAFTAR PUSTAKA

1000

900

800

'a, 700E 600

gi 500to

~ 400~ 3000u: 200

100

0

0 0.5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Waktu, jam

Gambar /2. Htlbungan anrcra ion fltlorida hilangdon wakru elektrodialisis dalam katolitmengandzmg U /00 mgll don 5000 mgll.

Secara keseluruhan, ion fluorida terpisahdalam larutan dengan cara :a. Terpisah dari katolit menuju anolit sekitar 78 %.

b Sebagian ion tluorida terendapkan danmembentuk NaUF,

c. Uranium dapat terpisahkan dari ion fluorida dantertinggal dalam katolit yang sebagianmembentuk Na2U2O7 clan terendapkan sebagai

NaUF,.

KESIMPULAN

a. Ion tluorida dalam larutan dapat dipisahkandengan teknik elektrodialisis, dengan katodakarbon pada tegangan 14 volt sebesar 74,8%selama 3 jam. Sementara, dengan katoda SS pad ategangan 10 volt ion tluorida yang terpisahkansebesar 93,4 % selama 3 jam, dan 96,2 % selama3,5 jam

b. Karbon tidak baik digunakan sebagai elektrodapad a tegangan di atas 14 volt karena bahantersebut mulai rapuh.

c. Pemisahan ion fluorida dari enuen yangmengandung uranium 5000 mg/l dengankonsentrasi ion fluorida umpan 5698 mg/1 danelektroda SS, tegangan 10 volt, waktu 3,5 jam,fluor yang terpisahkan 78 %. Kadar U pad a anolittidak terdeteksi, dan U dalam katolit menempelpada SS sebagai Na2U2O, sebesar 82 % dansisanya mcngendap dalam bcntuk NaUF5. Pada

I. SURIPTO, A., "Diklat Keselamatan clan SaranaDukung Elemen Bakar Nuklir", (KSDP- EBN),Serpong, 1997. ,.

2. SALIM IN, Z., "Proses Kimia PengolahanLimbah Korosif Radioaktif Dari Fabrikasi BahanBakar Nuklir", Prosiding Pertemuan clanPresentasi Ilmiah PPNY-BA TAN Yogyakarta,Buku II, ISSN 0216-3128, 25-27 April 1995,hal.351-357.

3. FATHURRACHMAN, "PemanfaataanMembran Alih-Ion Dalam Teknologi KimiaNuklir", Buletin Daur Bahan Bakar Nuklir,URANIA, No.4/Thn.I/Oktober 1995, hat. 30.

4. SASTRA WIJA Y A, T., "Kimia Dasar n",PGPA3752/3 SKS, Penerbit UniversitasTerbuka, Dirjen Dikdasmen, Depdikbud,Cetakan kedua, Jakarta, 1994, haI241-299.

5. NAIR, M. K. T., SINGH, R. K., BAJPAI, D. D.,VENUGOPALAN, A. K., SINGH, R. R.,GURBA, P. B., and THOMAS, M., "Role IonTransfer Membrane In The Production OfUranous Nitrate", BARC/1992//002, PrefrePlant, Tarapur, India, 1992.

6. KOESHENDARTO, R., "Penentuan FluorDalam Efluen Hasil Pengendapan AUKMenggunakan Penganalisis Ion", AkademiKimia Analis Bogor, 1990.

7. BOYBUL clan INDARY A TI S., "Prosedur KerjaUntuk Penentuan Kadar Fluor Dalam ScrbukU3Os Dan Dalam Larutan UN", PT BA TANTeknologi, 1997.

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

52 ISSN 0216-3128 Faturrachman. dkk

TANYA JAWAB

Afrie~ Apakah metode pemisahan ini bisa diterapkan

untuk senyawa halogen lain selain fluorida ?

Fathurrachman..t). Teknik elektrodialisis menggunakan

membran tukar anion dalam sel elektrolitik 2bilik dapat mengalihkan anion-anion apasaja misalnya ..F, cr, NOJ", SO/2", PO/J",Off dll. Bila anion-anion tersebut beradabersama-sama, mereka tetap masih dapatdipi.sahkan dengan cara berkompetisi satu~'ama lain dan dilakukan dalam selelektrolitik multibilik multi membran sampaianion-anion tersebut terpisah-pisah.

Fathurrachman~ Bi/a tujuannya hanya untuk memungut U

dengan kadar < 50 mgr// tentu soja tidakekonomis. Namun persoa/annya ada/ah/imbah tersebut dengan kadar F- tinggi tidakdapat diterima untuk dio/ah o/eh P2TLRsampai pusat ini menentukan tekn%gi yangtepat untuk itu.

~ Keuntungan teknik e/ektrodia/isis disiniada/ah. tidak memer/ukan floku/an ataukoagu/an untuk mengendapkan F;mendapatkan /arutan HF yang bergunauntuk maksud lain; U dapat terpisah dari ionF- dengan sukses wa/aupun sebagian ion Fterikut da/am bentuk UF s" /ainnya berubahmenjadi uranium diuranat (NaU1O7 atauNHo/U1O,j. Untuk kasus ion fluoridasebaiknya do/am bentuk NHo/UFs donNHo/U1O7 agar ammonium do/am endapan-endapan tersebut dapat dihi/angkan.

Busron~ Limbah U kadar < 50 mgr/l apakah masih

ekonomis untuk dipisah/diekstrak kembali(dengan menghilangkan ion F lebih dahulu).

~ Apakah cara sel elektrolitik juga menjawabpertanyaan a ?

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan T eknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000