penggunaan metoda elektrodialisis...

SEMINAR NASIONALSDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

PENGGUNAAN METODA ELEKTRODIALISISDALAM PEMISAHAN URANIUM DARI EFLUEN PROSES

Hendro Wahyono(l), Ghaib Widodo(l), Sunardi(l)

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir-BATANKawasan Puspiptek, Serpong- Tangerang Selatan

Alamat e-mail: [email protected]

ABSTRAK

Pellggullaall metoda elektrodia/isis dalam pemisahall urallium dari Efluell proses. Percobaan pemisahanuranium dari ejluen melalui proses elektrodialisis telah dilakukan. Pada pemisahan uranium tersebutdigunakan membran tukar ion. Tujuan percobaan ini dilakukan untuk mengambil uranium dari ejluen yangmasih memiliki kadar uranium cukup tinggi yaitu di atas 50 ppm. Percobaan dilakukan di dalam selelektrolitik dua bilik anoda dan katoda yang terbuat dari bahan jlexiglass. Membran tukar ion diselipkan diantara dua bilik. Uranium dapat dipisahkan dari ejluen proses hingga 100% pada tegangan 3,5 volt selama3,67 jam. Pada proses elektrodialisis untuk memisahkan uranium berkandungan Fluor memberikan hasilberupa penurunan Fluor hingga 78%.

Kata Kunci : Ejluen, elektrodialisis, membran tukar ion, anoda, katoda

ABSTRACK

Use of electrodialysis method ill the separatioll of urallium from the process effluellt. Uranium separationexperiments of effluent through the process of electrodialysis process has been carried out. On uraniumseparation using ion exchange membrane The purpose of this experiment carried out to retrieve uraniumfrom process effluent is still high enough levels of> 50 ppm. Because the world uranium prices are highenough, it still has a high economic value to be taken back. The experiments were conducted in the twochamber electrolytic cell anode and cathode are made of materials jlexiglass. Jon exchange membrane isinserted between the two chambers. Uranium can be separated from the effluent process up to nearly 100%at a voltage 3.5 volts for 3.67 hours. Fluorine content can be reduced by 78% and 65% of the effluentberkandungan jluorine. Uranium that has been separated from the effluent is expected to be re-used as baitready for use.

Key words: effluent, electrodialysis, ion exchange membrane, anode, cathode

1. PENDAHULUANKegiatan penelitian yang dilakukan di

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir (PTBN)senantiasa menimbulkan e£luen yaitu larutan yangmasih mengandung uranium di atas 50 ppm. E£luentimbul dari beberapa proses diantaranya pelarutan,ekstraksi, dan analisis kimia. Untuk dapatterpenuhinya nilai ekonomi dan akuntabilitas bahannuklir, maka uranium yang terkandung di dalame£luen harus dipungut kembali melalui prosespemisahan. Beberapa metoda yang pemah dilakukanuntuk memisahkan uranium dalam e£luen

diantaranya pengendapan menggunakanammonium karbonat, (NH4hCol], pengendapanmenggunakan peroksida, H20}"], penyerapanmenggunakan resin (pertukaran ion) dengan pHstabil!2] dan penyerapan menggunakan resin

termodifikasi (chelating resin)!3]. Pemisahanuranium dalam e£luen dengan menggunakanmetoda tersebut di atas memerlukan proses yangcukup panjang.

Metoda altematif untuk memisahkan

uranium yaitu elektrodialisis dengan menggunakanmembran tukar ion. Pada saat ini penggunaan metodaelektrodialisis masih banyak digunakan, karena lebihstrategis dibandingkan dengan teknologi pemisahanlain.

Metoda elektrodialisis pemah dilakukanoleh peneliti terdahulu untuk memisahkan uraniumdan berbagai basis keasaman yaitu asam klorida!4]dan sulfat[5]. Penelitian ini dilakukan pada e£luenhasil proses yang berbasis asam nitrat dan £luonda.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 542 Hendro Wahyono dkk


YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011

ISSN 1978-0176

Metoda elektrodialisis dapat memperpendek proses

pada pemisahan uranium dibandingkan metoda lain.Pada proses elektrodialisis, terjadi proses

perpindahan ion dari satu larutan ke larutan yanglain akibat pengaruh medan listrik DC. Proses

perpindahan ion-ion tersebut dilakukan di dalamsuatu sel elektrolitik yang terdiri dari beberapa bilik

(anoda dan katoda) dan dipisahkan oleh membrantukar ion.

Dalam tulisan ini akan dibahas mengenai

hasil-hasil proses pemisahan uranium melalui proseselektrodialisis dengan tujuan mencari teknologialtematif untuk menurunkan kadar uranium dalam

efluen proses sehingga dapat terpenuhi akuntabilitas

bahan nuklir dan kepentingan penelitian.

2. TEORI

Proses elektrodialisis diperkenalkanpertama kali pada tahun 1940[6J di dalam sel multi

bilik. Dalam sel multi bilik digunakan beberapamembran yang diselipkan diantara bilik-bilik

tersebut. Pada Gambar 1 ditunjukkan sel multi bilik

menggunakan membran tukar anion (A) danmembran tukar kation (C). Ketika potensial DC

dialirkan kation M+ akan bergerak menembusmembran tukar kation ke arah katoda. Sementara

anion X- akan bergerak menembus membran tukaranion ke arah anoda.

+

A

M+

x-

C

2

A

M+

X-

3

C

4

A

M+

X-

5

C

Keterangan : A = Membran tukar anion, C = Membran tukar kationM+ = anion, X- = kation

Gambar I. Sel Multi bilik menggunakan membran tukar anion dan kat ion

Pada proses elektrodialisis di dalam selelektrolitik yang terdiri dari dua bilik akan terjadi

proses reduksi kimia. Pada bilik katoda akan terjadi

Sedang pad a anoda, hanya terjadi reaksipembentukan oksigen dari H20 dalam suasana asam

nitrat seperti reaksi berikut :

Reaksi redoks pada proses pemisahan

uranium dari efluen berkandungan fluor berlangsung

seperti berikut[6] :

Na+ + e-~Na

2H+ + 2e" ~

H20 + 2e- ~

b. Pada bilik anoda terjadi oksidasi fluor yangberhasil menerobos membran tukar anion dari bilik

katoda ke bilik anoda dan gas O2 dengan reaksi :

reduksi UO/+ menjadi U4+, dengan reaksi sebagaiberikut[7] :

(I)

(2)

a. Pada bilik katoda akan terjadi pembentukan

Na dari ion Na + dan gas H2 dari ion 2H+ dan H20dengan reaksi :

(3)(4)(5)

Hendro Wahyono dkk 543 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

2F ~ F2 + 2e-2H20 ~ O2 + 4H+ + 4e-

Selama reaksi, ion F pada bilik anoda akansemakin bertambah karena adanya migrasi dari bilikkatoda. Tetapi pada saat yang sarna ion F pad a bilikanoda tersebut akan berubah menjadi gas F2 sepertireaksi (7).

Proses elektrodialisis dilakukan di dalam

sel elektrolitik yang terdiri dari beberapa bilik(anoda dan katoda) dan dipisahkan oleh membrantukar ion (kation dan anion). Sel elektrolitik yangdigunakan untuk proses elektrodialisis memilikibeberapa tipe, antara lain[8] :

1. Sel yang terdiri dari dua bilik dengan satumembran yang diselipkan di tengahnya. Seltipe tersebut digunakan untuk melakukanproses redoks dan reaksi-reaksi asam-basa.

2. Sel yang terdiri dari tiga bilik dengan duamembran yang diselipkan di antara bilik.Sel tipe tersebut juga digunakan untukproses redoks, tetapi larutan yangdiumpankan dipisahkan dari kedua bilik(anoda dan katoda).

3. Sel multi bilik dengan beberapa membranyang diselipkan di antara bilik-bilik. Seltipe tersebut digunakan untuk fraksinasiion, operasi pengenceran dan reaksimatematik.

Membran tukar ion yang digunakan dalamproses elektrodialisis dapat dilakukan secara kontinudengan biaya rendah (ekonomis), dalam operasinyamembran dapat juga dirangkaikan dengan peralatanlain yang bersifat non destructive dan ramah

Anoda

MTK


YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

(6)(7)

lingkungan (strategis). Membran tukar ion terdiriatas selembar tip is bahan tukar ion yang memilikibeberapa persyaratan diantaranya(8]:• Selektivitas terhadap jenis ion (kation dan anion)

tinggi• Konduktivitas listrik tinggi, dan• Permeabilitas air rendah

3. METODOLOGIPercobaan pemisahan uranium dilakukan

di dalam sel dua bilik dengan membran tukar iondiletakkan di antara dua bilik anoda dan katoda.Larutan uranil diletakkan di dalam bilik katoda,sedang bilik anoda berisi larutan elektrolit.Elektroda diletakkan pad a bilik katoda dan anoda.Ketika potensial DC diberikan kepada keduaelektroda, maka ion H+ dalam bilik anoda akancenderung bergerak ke arah katoda. Ion-ion tersebutmampu menembus membran dan bereaksi denganOR dalam bilik katoda dan membentuk H20,sehingga jumlah elektrolit di ruang katoda akanbertambah banyak. Pada penggunaan membrantukar kation, uranium akan tetap tertinggal di bilikkatoda. Sementara pengotor berupa anion akanmenembus membran dan bermigrasi ke bilik anoda.Proses elektrolisis dilakukan pada tegangan 3 hingga5 volt. Hasil elektrodialisis dicuplik setiap 20 dan 30menit dan dianalisa kandungan uraniumnya. Sel duabilik dengan menggunakan membran tukar iondiperlihatkan pada Gambar 2.

Katoda

AK

H+

~

N03-/ UO/+""M

Mc:::=::::c:>

c:::=::::c:>

KeteranQan :

A = Bilik AnodaK = Bilik KatodaMTK = Membran Tukar IonM = Pengaduk magnet

Gambar 2. Sel dua bilik menggunakan membran tukar ion

Seko/ah Tinggi Tekn%gi Nuklir-BATAN 544 Hendro Wahyono dkk


YOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pemisahan uranium dari efluen prosesl91Pada penggunaan proses elektrodialisis

pada pemisahan uranium dari efluen proses berbasisasam nitrat, digunakan sebuah lempeng karbonberukuran 3,6 em sebagai katoda dan lempeng Ptberukuran 3,8 em sebagai anoda. Kondisi prosesyang dieoba efluen berkonsentrasi 50 ppm dan asamnitrat 1,4 M sebagai larutan elektrolit. Hidrazin

sui fat sebanyak 0,816 gram ditambahkan ke dalamefluen sebagai stabilisator larutan U(IV) yangdihasilkan. Potensial DC yang digunakan berkisar3,0; 3,5; 4,0; 4,5; dan 5 volt. Pengaruh potensial DCditandai dengan bertambahnya konsentrasi U(IV)dan perubahan warna larutan kuning menjadi hijau.

Hasillarutan diamati sebagai fungsi waktu.Pengaruh tegangan terhadap pembentukan U(IV)ditunjukkan pada Gambar 4.

Pengaruh waktu elektrodialisis terhadap reduksi U(VI) menjadi U(VI)

-- 3 volt- 3,5 volt--.- 4 volt---*- 4,5 volt- 5 volt

120

100

;;:;: .:,i80:I 'EQ)

.Q 60$

:;-40

:::> 20

00

Gambar 3.

1 234Waktu elektrodialisis, jam

5 6

Gambar 3 menunjukkan pada potensial 3,5volt terjadi pembentukan ion U(IV) hingga 100%dengan waktu 3,67 jam yang ditandai denganterjadinya perubahan warna pada larutan. Larutanuranil nitrat yang berwarna kuning berangsur-angsurberubah menjadi hijau tua. Waktu tersebut relatiflebih pendek dibanding dengan potensial 3 volt yangdieapai dalam waktu 5,67 jam.

Pada potensial berturut-turut 4; 4,5 dan 5volt, konversi uranil nitrat menjadi larutan U(IV)tidak dapat meneapai 100%. Hal itu ditandai denganadanya perubahan kembali warna hijau tua menjadikuning sebelum proses elektrodialisis berakhir. Halini mungkin diakibatkan hidrazin sui fat habisbereaksi dengan HN02 hasil reaksi sehingga larutanU(IV) menjadi tidak stabil dan mudah teroksidasikembali menjadi uranit, seperti reaksi (8) dan (9)berikut[IO]:

N2HS+ + HN02HN3 + HN02

HN3 + 2H20 + H+N20 + N2 + H20

(8)(9)

Pemisahan uranium dari efluen berkandunganfluorllli

Proses elektrodialisis dilakukan juga untukmemisahkan fluor dari larutan uranil fluorida.

Campuran larutan NaF 0,3 M (5.698 mg/I) denganlarutan uranil nitrat (konsentrasi 100 dan 5.000 mg

U/I) dilakukan pada tegangan 14 volt menggunakanelektroda Pt dan C. Peneuplikan sam pel pada katolitdan anolit dilakukan setiap 30 menit untuk diamatijumlahfluor yang bermigrasi.

Hasil pengurangan dan penambahan fluorpad a katolit ditunjukkan pada Gambar 4.



YOGY AKARTA, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

-+-100mg/l

___ 5000 mg/l

6000

5000'§, E 4000u:

.~ 3000CQ)~ 20000~ 1000

00

0.5

1.5 2 2.5 3 3.5 4

Waktu Elektrodialisis. Jam

Gambar 4. Pengurangan konsentrasifluor dalam katolit

Gambar 4 menunjukkan bahwa kandunganfluor yang terdapat di dalam katolit mengalamipenurunan sekitar 78% dalam waktu 3,5 jam baikpada konsentrasi uranium 100 mg U/I maupun 5000mg U/I. Pada Gambar 5 dapat dilihat bahwaprosentase penurunan kandungan Fluor tidak bisa

maksimal hingga 100%. Hal ini mungkin disebabkanadanya senyawa kompleks antara uranium dengan

fluor dan diikat oleh Na + sehingga membentuksebuah gelatin (NaUFs) berwama putih sepertidiunjukkan pada reaksi (10) dan (11) berikut[7J:

++

UFs

NaUFs (endapan putih)(10)(11)

Konsentrasi uranium semakin besar, makasenyawa kompleks yang terbentuk juga akansemakin besar. Hal ini dapat mengakibatkanterjadinya pengurangan fluor yang berpindah daribilik katoda ke bilik anoda.

5. KESIMPULAN

Metoda elektrodialisis dapat digunakanuntuk memisahkan uranium dalam efluen maupunefluen berkandungan fluor. Pada efluen berbasisasam nitrat, uranium yang terpisahkan hingga 100%selama 3,67 jam pada tegangan 3,5 volt. KandunganFluor dapat dipisahkan dari uranium hingga 78%selama 3,5 jam pada tegangan 14 volt. Penggunaantemperatur yang lebih tinggi memberikan pengaruhterhadap penurunan konsentrasi U(VI).

6. DAFT AR PUST AKA

1. SUTOPO, A.(l991),"Pengendapan UraniumDalam Efluen Menggunakan AmoniumKarbonat", Pendidikan Ahli Teknik Nuklir,PUSDIKLA T -BAT AN, Jogjakarta.

2. AJI, D. (1992),"Pengendapan UraniumDalam Efluen Menggunakan HidrogenPeroksida, Pendidikan Ahli Teknik Nuklir,PUSDIKLAT-BATAN, Jogjakarta.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BA TAN

3.

4.

5.

6.

7.

546

MARTONO, H. dan SUCAHYO, D.H.,(1984),"Penyerapan Uranium oleh ResinDowex I x 8", Prosiding Bahan Murni danInstrumentasi I Bahan Mumi, PPBM (BATAN)Jogjakarta, hal. 45 - 58.C.C. HSIANG dan C.T. CHANG, (I 974),"TheElectrolytical of uranyl ion using an ionexchange membrane", Chung Cheng ofTechnology and Department of Chemistry,National Tsing Hua University, Hsinchu,Taiwan, China.A.Y ASUHIRO, H. HIROSHI, M. HIROSHI,H. SHUICHIRO,( 1989) "Fundamental Studieson the Continuous Elekctrolytic Reduction ofUranyl Sulfate", Metallurgical Transaction B,Vol. 20B.

KIRK-OTHMER, (1994),"Encyclopedia ofChemical Technology", Fourth edition,Volume 9, Elastomers, Polyisoprene to expertsystem.M. K. T. NAIR, R. K. SINGH, D.. D BAJP AL,A. K. VENUGOPALAN, R. R. SINGH, P. B.GURBA, and M. THOMAS, (1992), "Role ofion transfer in the poduction of uranousnitrate", BARC/1992/E/002, Prefre Plant,Tarapur, India.

Hendro Wahyono dkk

SEMINAR NASIONALSDM TEKNOLOGI NUKLlR VIIYOGY AKART A, 16 NOVEMBER 2011ISSN 1978-0176

8. FATHURRAHMAN, A thesis, (1995),"Solvent extraction as method of promotinguranium enrichment by chemical exchange",Imperial College of Sciense, Technology andMedicine, Department of ChemicalEngineering and Chemical Technology,University of London, London SW7 2BY,United Kingdom.

9. WAHYONO, H,(l999)," Pembuatan larutanurano nitrat dari larutan uranil nitrat secaraelektrodialitik menggunakan membran tukarkation", Tugas Akhir Pendidikan Ahli TeknikNuklir, Pusdiklat, BATAN.

10. HERY ANTO, S. (l979),"Studi pembuatanlarutan uranium (IV) nitrat secara elektrolitik",Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.

11. SUNARDI,(1999)," Penurunan kandunganFluor (f) dalam efluen menggunakan membrantukar anion (MTA)", Tugas Akhir PendidikanAhli Teknik Nuklir, Pusdiklat, BAT AN.


penggunaan metoda elektrodialisis...

Documents