PENGARUH SUHU PEMANASAN DAN PENAMBAHANSODIUM SILIKA T TERHADAP KARAKTERISTIKMONOLIT KERAMIK UNTUK IMMOBILISASI LIMBAHRADIO AKTIF

Isman MT, Endro K. daD SukosronoPuslitbang Teknologi Maju BATAN, Yogyakarta.

ABSTRAKPENGARUH SUHU PEMANASAN DAN PENAMBAHAN SODIUM SILIKAT TERHADAPKARAKTERISTIK MONOLlT KERAMIK UNTUK IMMOBILISASI LIMBAH RADIOAKTIF. Telah dilakukanpenelitian pengaruh suhu pemanasan dan penambahan aditif sodium silikat terhadap karakteristik monolitkeramik. Penelitian dilakukan dengan cara mencampurkan lempung, kaolin, dan felspar ke dalam gelasbeker, kemudian ditambahkan air dan sodium silikat serra dilakukan pengadukan sampai terbentuk adonanyang homogen. Adonan yang terjadi kemudian dicetak dan selanjutnya dilakukan pemanasan sehingga akanterbentuk mono lit keramik. Blok monolit yang terjadi kemudian dilakukan uji kuat tekan dan uji kemampuanserap terhadap air. Komposisi campuran lempung, kaolin, felspar dalam adonan adalah 25 % lempung,25 % kaolin, 15 % felspar. Variabel yang diteliti meliputi suhu pemanasan dan jumlah aditif yangditambahkan. Variabel suhu pemanasan dilakukan pada suhu 700 DC, 1000 DC dan 1300 DC. Variabeljumlah aditif yang ditambahkan adalah 0 %, 0.5 %, I %, 1.5 %, 2 %, 2.5 %. Hasil yang diperolehmenunjukkan bahwa suhu pemanasan sangat berpengaruh terhadap karakteristik monolit keramik.Penambahan aditif sodium silikat tidak berpengaruh terhadap karakteristik monolit keramik.

ABSTRACTEFFECT OF THE HEATING TEMPERATURE AND THE ADDITION OF SODIUM SILICATE ON THEMONOLITH CERAMIC CHARACTERISTIC FOR THE IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTES.The investigation of the effect of the heating temperature on the monolith ceramic characteristic has beendone. The research was perfonned by mixing kaolinite, feldspars, clay, water, sodium silicate and then it~'as pressed. The resulted of the monolith block was heated on thefurnace. The ceramic monolith block thatfonned was tested for the compressive strength and the water absorption. The mixed ceramic compositionwere 60 % of kaolinite and 25 % of feldspars and 15 % of clay. The variables investigated were thetelnperature and the sodium silicates added. The heating temperature was varied at 700 DC and 1000 DC,1300 DC. The addition of sodium silicate was varied from 0 %, 0.5 %, 1 %, 1.5 %, 2 %, 2.5 %. The resultsho".n that the characteristic monolith ceramic depended on the temperature and it didn't depend on thesodium silicate added. The best resulted was take placed on 1300.C of the heated temperature.

Lempung merupakan salah satu bagian yangcukup vital dalam pembuatan keramik. Lempungakan memberikan sifat pembentukan keramik, yangmemungkinkan bubuk keramik dapat dirubah dari

bentuk kering menjadi slurry dengan plastisitastinggi. Lempung mempunyai bentuk partikel berupalembaran tipis dengan ukuran dalam skala atom.Atom-atom yang ada pada permukaan lempungcenderung masuk ke ruang sehingga akan

memperkecil energi permukaannya. Mengingattipisnya partikel, maka ion-ion tidak dapat tertarikke dalam sehingga menjadi terkutub. Hal ini akanmemberikan muatan positif dan negatif padapermukaan. Muatan irii akan diimbangi olehserapan fisik molekul air yang akan dapatmembentuk muatan dwi kutub. Akibatnya air tidak

mudah bergerak. Ukuran partikel lempung cukupkecil, sehingga akan mempunyai luas permukaanyang cukup besar, yang akan berakibat

PENDAHULUAN

K eramik dapat dibuat dengan menggunakan

bahan dasar dari campuran mineral lokal

lempung. kaolin. daD felspar. Ke-tiga bahan inipada perbandingan tertentu, kemudian dipanaskanpada suhu minimum700 °c daD maksimum padasuhu 2000 °c maka akan terjadi reaksi sederhanaataupun reaksi komplek sehingga akan terbentukmonolit keramik. Monolit keramik ini mempunyaisifat fisik yang keras daD tahan terhadap suhu tinggiserta tahan terhadap serangan bahan kimia. Hal inimenjadikan keramik cukup potensial sebagai mediapengungkung limbah radioaktif. Adapun tujuan daripenelitian adalah untuk mengetahui pengaruh suhupembakaran dan aditif sodium silikat terhadapkekuatan tekan dan kemampuan serap air monolitkeramik dari campuran lempung, kaolin. daD

felspar.

Prosidlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

142 ISSN 0216. 3128 Isman MT, dkk.

Alat yang digunakan

Cetakan, alat uji tekan, ayakan, peralatan, gelastungku bakar, lumpang dan martil

Cara kerja

1 Preparasi adonan

Setiap mineral kaolin, felspar daD lempungdimasukkan ke dalam lumpang kemudiandhancurkan memakai martil. Hasil mineral yangtelah dihaluskan kemudian diayak denganukuran 10 sampai dengan 200 mesh.

2. Pembuatan blok monolit keramik

Diambil sejumlah mineral kaolin, felspar danlempung yang telah dihaluskan denganperbandingan % berat 60 % kaolin, 25 %felspar, 15 % lempung dimasukkan ke dalamgelas beker dan di aduk sampai homogenkemudian ditambahkan air 10 % dan diaduksampai terbentuk adonan yang homogen.Adonan yang terjadi kemudian dicetak dengansistem tuang dan tekan. Hasil cetakan yangterjadi kemudian dikeringkan pacta suhu kamarsampai beratnya stabil. Hasil cetakan yang telahkering kemudian dipanaskan pacta suhu 700 °Cselama 3 jam. Blok monolit yang terjadi setelahdingin diamati bentuknya secara visual,kemudian dilakukan uji kuat tekan dan ujikemampuan serap terhadap air. Percobaandiulangi lagi untuk menentukan pengaruhpemanasan terhadap karakteristik monolit, yaitudengan melakukan pemanasan pada suhu 1000°C dan 1300 °C. Untuk menentukan pengaruhpenambahan sodium silikat, maka percobaan diulangi lagi tetapi dengan menambahkan sodiumsilikat berturut-turut sebanyak 0.5 %, 1 %, 1.5%, 2 %, 2.5 % dengan pemanasan pada suhu700 °c, 1000 °c, dan 1300 °C.

memperbesar muatan permukaan. Dari keadaanyang demikian, maka lempung akan mampumengikat air disekitarnya dengan ikatan yangsangat kuat sehingga air yang terikat ini tidakmudah dilepaskan kecuali dengan dipanaskansampai di atas 1000 °C.

Felspar adalah aluminium silikat anhidratyang berasosiasi dengan unsur K, Na, Ca. Secaraumum Felspar mempunyai rumus kimia M~Og. Madalah kation yang dapat berupa ion K+. Na+, Ca+2.kadang-kadang juga dapat berupa ion Ba+2, daD(N~)+. Z adalah kation yang dapat berupa ion AI+3,Si~. Bila dilihat daTi sifat fisiknya, felspar ada yangmempunyai warDa putih ke abu-abuan, hijau mudadaD kuning tua. Felspar mempunyai berat jenisantara 2,4 -2,8 gram/cm3, titik lebur antara 1100°c daD 1500 °c. bersifat kurang plastis daD sebagaibahan pelebur. Di alamo batuan felspar bisa dalambentuk senyawa Natrium Felspar (Na20AISiO3Og),kalium felspar (K2O.AlSi3Og) daD Kalsium felspar

(CaO.AI2Si3Og).

Kaolin merupakan batuan yang komposikimianya terdiri dari gabungan A12O3. SiO2 daDH2O dengan perbandingan tertentu serta kadang-kadang terdapat unsur pengotor seperti FeO3. MgO,Na20. Kaolin, di alam terjadi karena adanya prosespencuacaan daTi kalium felspar membentuk kaolinyang dapat diekspresikan sesuai dengan reaksi :

K2O.AISi3Os + CO2 + 2H2O --+ K2CO3 + 4 SiO2 +

(kaliumfelspar) AI2O3.2SiO2.2H2O (I)(kaolin)

Untuk memperbaiki sifat-sifat keramik yangdiinginkan maka perlu ditambahkan suatu bahantambahan yang disebut dengan adilif. Aditif ini bisa

berfungsi untuk memperbaiki sifat pemuaian,keplastisan, menurunkan volume penggunaan air

pencampur, mempercepat atau memperlambatpengerasan. Berbagai macam aditif yang dapatdigunakan sesuai dengan peruntukan sifat yangdiinginkan. Penggunaan aditif sodium silikat dalampenelitian diharapkan dapat menaikkan kekuatantekan monolit keramik serta menurunkan suhu

pembakaran.

BASIL DAN PEMBABASANPengaruh pemanasan terhadap kuat tekan

dapat dilihat pada Tabel I clan Tabel 2. Dari labeltersebut tampak bahwa faktor pemanasan sangatberpengaruh terhadap hasil kuat tekan blok monolitkeramik yang dihasilkan. Pada suhu pemanasan 700°C kuat tekan yang dihasilkan paling rendahdibandingkan dengan pemanasan 1000 °c clan 1300°c untuk berbagai macam jumlah aditif yangditambahkan baik untuk monolit yang telahdirendam dengan air ataupun untuk monolit yangtidak direndam dengan air. Hal ini dapat dijelaskanberdasarkan reaksi-reaksi yang terjadi selama

BAHAN DAN METODA

Bahan yang digunakan :

Lempung dari Bantul, kaolin dari Gunung Kidul,sodium silikat, felspar dari Gunung Kidul dan air.

Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NuklllP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

pemanasan. Pacta pemanasan 700 °C reaksi yangterjadi hanya reaksi dehidrasi air mekanis danreaksi dehidrasi air kristal atau reaksi dekomposisi.Reaksi air mekanis mulai terjadi pacta suhu 150 °,pacta reaksi ini air yang terjerap dalam mineral akanmenguap. Banyaknya air yang menguap tergantungpacta ukuran mineral. Reaksi dehidrasi air kristalmulai terjadi pacta suhu 450 °C sampai 700 °c.Pacta reaksi ini akan terjadi dekomposisi mineral,yaitu dengan lepasnya air terhidrat dalam mineralseperti yang terjadi pacta reaksi berikut :

Tabel 3. Pacta Tabel 3 tersebut tampak bahwa pactapemanasan 1300 DC, kemampuan serap monolitkeramik yang dihasilkan jauh lebih rendah hiladibandingkan dengan monolit yang dipanaskansampai dengan 700 DC dan 1000 DC.

Tabel 1. Kuat Tekan mono lit keramik daricampuran lempung, kaolin dan felsparpada suhu pemanasan 700 DC, 1000 DC,1300 DC dan berbagai jumlah aditifsodium silikat yang ditambahkan.

No~-

lumlahaditif(%)-

Kuat tekan setelah pemanasan(N/mrn1Al2O3.2SiO2.2H2O ~ A12O3.2SiO2 + 2 H2O

(Meta kaolinit)(2)

1 oooucl-13oo Uc700 Uc

~

6.044.365.295.565.705.70

~

123456

00.5

Pada pemanasan sampai dengan 1000 °c. makasudah terjadi reaksi-reaksi sebagai berikut 1.5

22.5Al~O3.2H2O -+ 2 AI2O3.3SiO2+ SiO2

silicon spinel trydimite(3)

Tabel 2. Kuat Tekan monolit keramik setelahdirendam dari campuran lempung.kaolin dan felspar pada suhu pemanasan700 °C. 1000 °C. 1300 °C dan berbagaijumlah aditif sodium silikat yangditambahkan.

2 A12O3.3SiO2 -+ 2 Al2O3.SiO2 + SiO2 (4)pseudo mulite

Reaksi 3 clan 4 ini merupakan reaksi kristalisasi,yaitu reaksi tranformasi senyawa-senyawa oksidamembentuk senyawa-senyawa kristalin. Pemanasansampai dengan tahap ini, kaolin(Al2O32SiO2.2H2O) telah mengurai total menjadialumina amorf clan silika amorf. Bentuk ini akantetap hingga pemanasan sampai dengan 1000 DC.Selain itu, juga sudah terjadi reaksi oksidasi darisenyawa-senyawa pengotor yang mudah teroksidasipada suhu tinggi. Adanya oksidasi ini akanberpengaruh positif terhadap pembentukan monolitkeramik. Pada reaksi oksidasi ini maka sangatmemungkinkan terjadi perubahan ketidak mumianmineral selama pemanasan menjadi bentuk yangmudah dihilangkan. Misalnya oksidasi senyawakarbon oleh oksigen membentuk gas CO2 clan H2O

yang mudah menguap.

Hasil analisis menggunakan difraksi sinar X yangdilakukan di Balai Penelitian Keramik Bandungmenunjukkan bahwa monolit keramik yangdipanaskan sampai dengan 1300 0 sudah terjadi

pembentukan mullite, kristobalite. Hasil ini sesuaidengan apa yang terjadi pada reaksi 5.

pengaruh penambahan aditif terhadap kuattekan dapat dilihat pada Tabel 1&2. Untukmengetahui seberapa jauh kuat penambahan aditiftersebut maka dilakukan uji regresi korelasi an tarajumlah aditif sodium silikat yang ditambahkan

dengan kuat tekan yang dihasilkan, yaitu denganmembandingkan harga koefesien korelasi (r) yangdiperoleh dari hasil perhitungan (r"iU dengan hargakoefesien korelasi dari tabel (r,ab.,). Oari hasil

perhitungan harga r"iI yang diperoleh semuanyamasih lebih kecil bila dibandingkan dengan r'ab.,pada tingkat keyakinan 95 % (r'ab.,= 0.729). Hal ini

Pada pemanasan sampai dengan 1300 DC,sudah terjadi reaksi rekristalisasi silika daTi bentukamort menjadi kristobalite sesuai dengan reaksi :

2 A1203.SiO2 ~ 3 Al2O3 2SiO2 + SiO2 (5)(mulite) (kristobalite)

Sampai dengan tahapan ini, juga sudahmulai terjadi vitrifikasi daTi mineral yang

dipanaskan. Ruang-ruang kosong yang terjadikarena ditinggal oleh air clan senyawa organik yangterbakar (teroksidasi) akibat adanya reaksidehidrasi dan oksidasi sudah mulai merapat. Hal iniakan mengakibatkan terjadinya penyusutan volumemonolit keramik. Sebagai akibat terjadinyavitrifikasi ini dapat dilihat daTi kemampuanserapnya terhadap air, seperti yang tertera pada

~-Prosldlng Pertemuan dan Presentasillmiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr

P3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002

144 ISSN 0216. 3128 lsman MT, dkk.

menandakan bahwa penambahan sodium silikatsampai dengan 2.5 % tidak berpengaruh terhadapkuat tekan mono lit kerarnik dari campuranlempung, kaolin clan felspar.

DAFTARPUSTAKA,,:;C

1. MANAGEMENT OF RADIOACFVEWASTES FROM THE NUCLEAR CYCLE,Prceeding of symposium, Y-ienna, 22-26 March1976, IAEA, (1976)

2. SUROTO, R., Diktat kuliah PengolahanSampah Radioaktif, Bagian Teknik Nuklir,UGM, (1982)

3. HARTONO, JMY., " Teori Pembakaran",

Informasi Teknologi Keramik dan gelas, BadanPenelitian dan Pengembangan Industri- BALAIBESAR INDUSTRI KERAMIK , Bandung,

(1991)

4. MEDA SAGALA, "Perubahan Fisika-Kimiadan Mineral Pacta Pembakaran Lempung" ,Informasi Teknologi Keramik dan gelas, BadanPenelitian dan Pengembangan Industri- BALAIBESAR INDUSTRI KERAMIK , Bandung,

(2000).

5. HARTONO, J.,A., Mengenal KeramikModem, Andi Offset, Yogyakarta, (1993).

6. RAZAK, R.,A., Industri Keramik,Pustaka, (1978).

Tabel 3. Kemampuan serap mono lit keramik daTicampuran lempung, kaolin dan felsparterhadap pada suhu pemanasan 700 DC,1000 DC, 1300 DC dan berbagai jumlahaditif sodium silikat yang ditambahkan.

Kemampuan serap air %700 °cN

0123456

1000 DC 1300 °cJumlah

Aditif

~0

0.526.9027.2025.6026.1925.8427.19

20.6020.8821.8221.5621.2222.50

8.453.484.9010.248.344.25

1.52

2.5

Untuk mengetahui pengaruh penambahansodium silikat yang ditambahkan terhadapkemampuan serap terhadap air dapat dilihat pactaTabel 3. Dari hasil perhitungan harga rhit yangdiperoleh semuanya masih lebih kecil hila

dibandingkan dengan r'abel pacta tingkat keyakinan95 % (rtabel = 0.729). Hal ini menandakan bahwapenambahan sodium silikat sampai dengan 2.5 %tidak berpengaruh terhadap kemampuan serap airmonolit keramik dari campuran lempung, kaolindaD felspar.

Balai

TANYAJAWAB

Elizabeth S.~ Pada penelitian ini, kenapa tidak dilakukan

variasi penekanan dalam pembuatan sampelmonolith

KESIMPULAN

Oari hasil perhitungan clan pembahasandapat diambil kesimpulan bahwa suhu pemanasansangat berpengaruh terhadap kuat tekan monolitclan clan kemampuan serapnya terhadap air.Pemanasan yang terbaik diperoleh pada pemanasan1300 DC. Kuat tekan monolit keramik sebelum clansesudah direndam dalam air tidak menunjukkanperbedaan yang bermakna. Adanya penambahan

aditif sodium silikat tidak begitu berpengaruhterhadap kuat tekan maupun kemampuan serapnyaterhadap air.

Isman MT.Kondisi penekanan untuk pembuatan

sampel monolith, memang belumdilakukan. Mudah-mudahan padapenelitian selanjutnya dapat kamilakukan. Terima kasih atas masukkanya.

~~

,~

Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan don Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 27 Junl 2002