SORPSI CESIUM, KOBAl T DAN STRONSIUM PADA KAOLINIT

Pratomo Budiman Sastrowardoyo, Dadang Suganda, WatiPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif-BATAN, Serpong

ABSTRAKSORPSI CESIUM, KOSAl T DAN STRONS'UM PADA KAOLIN/T. Penelitian tentang sorpsi beberapa

radionuklida pada kaolin!t tetah dilakukan. Larutan yang mengandung sesium, kobalt dan stronslum, yang masing­masing ditandai dengan Cs-137, Go-GOdan Sr-90, digunakari sebagai modellimbah radloaktif. Sedangkan kaolinit dariYogyakarta digunakan sebagai calon bahan backfill dalam sistem penyimpanan limbah aktivitas rendah-sedang.Pengocokan sederhana secara catu diadopsi untuk mempelajari kinetika, isoterm sorpsi dan reversibilitas sorpsi. Hasilpenelitian memperfihatkan bahwa sorpsi sesium, kobalt dan stronsium dalam kaolinit mengikuti isoterm Freundlichdengan aflnitas yang besar. Kinetika yang relaHf cepat (3 - 8 hari) kwasl ireversibel, serta kapasitas sorpsi dan koefisiendistribusi yang linggi, merupakan faktor favourable untuk penghambatan transport radionuklida dalam bahan backfill.Diharapkan bahwa hasil percobaan ini dapat meningkatkan pengayaan data tentang perilaku radionuklida dalam bahanbackfil, pada sistem penyimpanan limbah radioaktif.

ABSTRACTSORPnON OF CESIUM, COBALT AND STRONSIUM ON KAOLINITE. Study 011 the sorption of radionuclides 011

kaolinite has been conducted. The solutions containing cesium, cobalt and strontium, labelled respectively with Cs-137,Go-GOdan Sr-gO, were used to modelize the radioactive waste. The kaolinite from Yogyakarta was used as a candldataof backfill matarial in the low and intermediate waste disposal system. Simple bath experiment was adopted to study thesorption kinetic, isotherm and reversibi/ity. The result showed that sorption of cesium, cobalt and strontium on kaoliniteobeyed the Freundlich isotherm. The relatively fast kinetic (3 to 8 days) quasi irreversible, and high sorption capacityand distribution coefficient, are favourable factors for radionuclide retardation in backfill material. It is hoped that thisresult could enrich the data of radionuclide behaviour in backfill material of radioactive waste disposal system.

KATA KUNGI: bahan backfill, radionuklida, cesium, cobalt, stronsium, penyimpanan limbah, limbah aktivitas rendah­sedang, isoterm sorpsi, koefisien distribusi.

PENDAHUlUAN.Penyimpanan dengan sistem dekat

permukaan merupakan opsi yang telahdipertimbangkan di banyak negara untuklimbah aktivitas rendah dan sedang.Berbagai model penyimpanan telahdiperkenalkan, yang pada mulanya suatufasilitas penyimpanan sederhana dibuattanpa barrier rekayasa[1]. Untuk menjaminagar isolasi terhadap radionuklida dapatterlaksana secara lebih baik, telah dikenalfasilitas penyimpanan limbah denganpenggunaan berbagai barrier rekayasa.Termasuk dalam susunan ini ialah barrierberupa struktur benton, bahan backfill, bahanpenyangga maupun bahan penutuprekayasa. Limbah yang ditimbun juga telahmelalui perlakuan, mulai dari imobilisasi sertapenggunaan wadah non-korosif. Dengandemikian, fungsi isolasi fasilitas penyimpananlimbah terselenggara dalam suatu susunanbarrier ganda.

Dalam sistem penyimpanan limbah,untuk suatu bahan backfill disyaratkanmemiliki kemampuan mengontrol laju aliranair tanah dari lingkungan fasilitas ke paketlimbah, sekaligus menghambat pelepasanradionuklida keluar fasilitas penyimpananlimbah(2J. Fungsi kontrol bahan backfill

148

terhadap laju aliran air tanah ialah untukmenunda kontak paket limbah dengan airtanah. Kemampuan bahan backfill tersebutmencapai kondisi jenuh setelah suatuperiode waktu tertentu, yang diikuti korosiwadah limbah dan pelarutan radionuklida kebadan air tanah. Fungsi bahan backfill dalamhal ini ialah pen.Qhambatan pelepasanradionukllida ke luar fasilitas penyimpanan.Proses penghambatan bahan backfillterhadap pelepasan radionuklida umumnyadijelaskan melalui mekanisme sorpsi13J.

Dalam makalah ini disajikan hasilpenelitian tentang sorpsi radionuklida Co-60,Cs-137 dan Sr-90 pada kaolin it, asalKulonprogo Yogyakarta. Dalam penelitlansebelumnya radionuklida-radionuklidaterse but telah dipilih untuk digunakan dalam

pengkajian unjuk kerja sistem penyimpananlimbahl J. Berbagai penelitian telah banyakdipubfikasikan, berkaitan dengan sorpsi padakaolinitl!>-7J. Untuk program riptekpenyimpanan limbah di Indonesia sejumlahpenelitian tentang ssorpsi pada bahan alamitelah dilakukan, baik sebagai calon bahanbackfill maupun sebagai barrier alami dariPPTN[8-13J.

(1)

TAT A KERJABahan

Contoh kaolinit asal KulonprogoYogyakarta, yang diperoleh dari PO AnindyaYogyakarta, dihaluskan dan diayak untukmendapatkan ukuran butir 40-80 mesh.Larutan radionuklida yang digunakan ialahC0-60, Cs-137 dan Sr-90, masing-masingpada konsentrasi radioaktif 4, 2 dan 4 IlCilm/.Sebagai pengemban digunakan Co(N03h,CsCI dan Sr(N03h, dari E-Merck (pa), yangmasing-masing dilarutkan dalam air murniuntuk memperoleh konsentrasi 0,01 N.

MetodeTeknik pengocokan sederhana secara

catu dilakukan dalam wadah polietilen,seperti pada pustaka[141• Padatan kaolinit 0,19 dikontakkan dengan 15 ml larutan yangmengandung kobalt, cesium atau stronsiumuntuk mempelajari kinetika sorpsi, isothermsorpsi dan reversibiltas sorpsi.

Percobaan kinetika sorpsi dilakukanuntuk kobalt, pada konsentrasi awal unsur1x10-6 N, dengan waktu pengocokanbervariasi antara 1 jam sampai 20 hari.

Percobaan isoterm sorpsi dan

reversibilitas sorpsi dilakukan gadakonsentrasi awal unsur bervariasi 1x10 sid

1x10·2 N, dengan menggunakan waktu yangdiperoleh dari percobaan kinetika, Padapercobaan reversibilitas sorpsi, digunakansampel-sampel yang berasal dari percobaanisoterm sorpsi. Padatan yang telahdikontakkan dengan larutan unsur, setelahpemisahan fasa padat dan fasa larutan,dikontakkan kembali dengan 15 ml aquadest.

Pemisahan fasa padatan dan larutandilaksanakan dengan sentrifugasi, danpengukuran radioaktivitas difakukan denganbantuan LSC dan MCA. Kuantifikasi sorpsidilakukan dengan pengukuran koefisiendistribusi ~, yaitu ratio konsentrasi unsurdalam fasa padatan [X]. dan dalam fasalarutan kondisi kesetimbangan. Padapenggunaan zat radioaktif koefisen distribusidiberikan oleh persamaan (1) dan ukuranreverisilitas dinyatakan sebagai % R sepertidisajikan pada persamaan (2) :

K _ [x]s _ v Ao - Ad-1Xf-m A

149

%R = Cs -Cs' x100% (2)Cs

dari persamaan (1) v dan m masing-masingialah volume fasa larutan dan berat fasapadatan, Ao dan A masing-masing ialahradioaktvitas fasa larutan sebelum dansesudah pengocokan. Dari persamaan (2) C.dan Cs' masing-masing ialah konsentrasiunsur terserap pada kaolinit, untuk prosessorpsi dan desorpsi.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kinetika SorpsiPad a penelitian ini digunakan larutan

sederhana, yaitu pelarut air murni, Denganmaksud untuk mengeliminasi kemungkinanpengaruh bahan terlarut dalam fasa larutan.Dari percobaan kinetika untuk kobalt, sepertidisajikan pada Gambar 1, diperlihatkanbahwa kurva koefisien distribusi naik sebagaifungsi waktu kontak diikuti suatu garismendatar. Awal kurva mendatar tersebut, 3hari pengocokan, diadopsi sebagai sebagaiwaktu pengocokan untuk percobaan­percobaan selanjutnya untuk kobalt. Waktupengocokan untuk percobaan dengancesium dan stronsium digunakan data dariliteratur18J, seperti disajikan dalam Tabel 1.Dikaitkan dengan jangka waktu penyimpananlimbah radioaktif, dapat dinyatakan bahwakinetika sorpsi cesium, cobalt maupunstronsium pada kaolin it sangat cepat.

Isotenn sorpsi .Hasil percobaan isoterm sorpsi

diperlihatkan pada Gambar 2 dan Gambar 3.Pada Gambar 2, diperlihatkan bahwa kurvakonsentrasi unsur dalam fasa padatan [Rn].naik secara progresif sebagai fungsikonsentrasi dalam fasa larutan [Rn]" diikutigaris mendatar, yang digunakan sebagaikapasitas sorpsl, Ca. Pada penyajian dalambentuk log (Gambar 3), diperlihatkan bentukkurva garis lurus, yang menandakan bawaproses sorpsi ketiga unsur-unsur tersebutmengikuti isoterm Freundlich.

Seperti telah banyak dikenal bahwaisoterm Freundlich berkaitan dengan prosessorpsi yang terjadi pada "site" serbanekapada fasa padatan, dengan afinitas yangberbeda. Secara matematis isotermFreundlich dapat disajikan dalam ungkapanberikut'15.161:

300

200

100

o

o 5 II!

t (hari)

IS 21! 25

Tabel1. Rangkuman sorpsi cesium, cobalt dan stronsium pada berbagai calon bahanbackfill sistem DenvimDanan limbah radioak'·

Gambar 1. Kinetika sorpsi kobalt pada kaolinit

_ ..-

Jenis bahanKinabC. I<.JKRef

Unsur (han)(eq/kg)(1/kg)

Kaolinit Co

30,821.762,22 10"673860

Cs

4")0,721.091,0710"582740") (5)

Sr

7")0,852.135,7510"974580") (5)

Ballc1ay Co

30,741,281,61 10"'570620(10)

Cs

tahap 1 0,650,881,39 10'4 [10)

tahap 2

8

0,770,846,94 10'2164390[10)

Sr

70,992,18-171-

Sayati Co

20,751,242,25 10.1499310[11]

Cs

tahap 150,570,888,61 10.227532490[9]

tahap 2

--2,55 10"

Sr

70,842,55-3143-[11]

Soil Serpong Cs

80,730,973,52 10.33,83 10848700[8]

Soil Lemahabang Co

80,902,734,67 10"5312520[12]

Cs

80,801,983,82 10"72990{13J

Sr

80,872,253,55 10"1701270[13J

Keterangan: Kin ialah kinetika sorpsi; a dan b ialah tetapan persamaan garis Freundlich: y = ax + b; Ca ialah

kapasitas sorpsi; Kd ialah koefisien distribusi pad a konsentrasi unsur dalam fasa Jarutan [XJ, = 1 IN; K

ialah tetapan kesetimban9an sorpsi sederhana; X, + S ~ Xs

150

H.OE-OI

6.0 [':-0 I

2.01<:~0I

II.OE+IIOII.IIE+OII 5.0E-03

(I{n h (N./I)

1.111<:-02

Gambar 2. Isoterm sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada kaolin it

1.01<:+00

~ 1.0£-02be

'&~=~ I.OE-04

I.OE-061.0E-1O I.OE-OH 1.0E-0(, 1.0E-04 1.0E-02

Gambar 3. Bentuk log isoterm sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada kaolin it

(3)

.-aU:lUdolQm bUfltuk log;ritmik

log[X]s = logCa ·1· nlogK + nlog[X1 (4)

Ca dan K masing-masing ialah kapasitas dantetapan kesetimbangan sorpsi, dan n ialahtetapan Freundlich. Tetapan kesetimbangantersebut merupakan tetapan untuk suatuproses kesetimbangan yang sederhanaseperti diperJihatkan pada persamaanberikut:

XI + S B Xs (5)

S ialah site sorpsi pada fase padatan.

151

Dari pengukuran koefisen arahpersamaan (3) dapat diperoleh harga tetapann, dan dengan menggunakan harga Ca sertaIntrapolasl ke sumbu 8S81 dapat dlporofehtetapan kesetimbangan sorpsi K. Diperolehpula suatu koefisien distribusi Kd. padakonsentrasi unsur dalam fasa larutan yangrendah [X], = 1 /IN. HasH pengamatankapasitas serap serta dari pengukuranparameter garis Freundlich dirangkum padaTabel1.

Pad a Tabel 1 tersebut juga disajikanhasil percobaan lain, yaitu sorpsi pada tanahpermukaan (soif) Serpong, tanah permukaan(soif) Lemahabang Semenanjung Muria.maupun ballclay dan lempung sayati(8-13J•HasH yang analog diperlihatkan untuk bahan­bahan lain tersebut, bahwa isoterm sorpsi

yang mengikuti aturan Freundlich. Secaraumum dapat dinyatakan bahwa afinitassorpsi cesium, kobalt dan stronsium padabahan-bahan tersebut besar. Yaitu dengankapasitas sorpsi Ca, dan koefisien distribusiK.I yang tinggi. Dalam beberapa hal, faktorfavorabel tersebut didukung dengankonstanta kesetimbangan sorpsi K yangbesar. Khusus untuk s,orpsi cesium padalempung sayati diperlihatkan adanyakapasitas lain yang lebih tinggi, yaitu 0,255eq/kg [9]. Dengan demikian dapatdisimpulkan bahwa bahan-bahan terse butdapat dipertimbangkan untuk digunakansebagai bahan backfill pada sistempenyimpanan limbah radioaktif.

Reverisbilitas SorpsiHasil percobaan reversibilitas sorpsi

pad a kaolin it disajikan pad a Gambar 4, yangmempertihatkan bahwa nilai %R rendahuntuk cesium (± 6,5%) dan kobalt (± 2,5%)pada konsentrasi rendah. Nilai %Rmeningkat untuk konsentrasi kedua unsurtersebut, hingga 60-80% pad a konsentrasitinggi. Namun demikian nilai %R padakonsentrasi rendah akan lebih aplikabelmengingat bahwa konsentrasi molarradionuklida yang akan dapat ditemukanpada kondisi tersebut sang at rendah.Dengan demikian dapat dinyatakan bahwaproses sorpsi cesium dan kobalt padakaolin it terjadi secara irreversible. Untukpercobaan dengan stronsium, diperlihatkanbahwa nilai %R lebih tinggi (± 30%) danmerata mulai konsentrasi rendah hinggakonsentrasi tinggi. Namuin demikian nilai %R

terse but masih dapat diterima. Seperti padakasus cesium dan kobalt, konsentrasi molarstronsium juga sangat rendah.

Pembahasan Umum

Seperti telah disebutkan dalambanyak pustaka bahwa sorpsi pada bahanlempung umumnya terjadi melaluimekanisme penukaran ion [16]. Yaitupertukaran kation dalam larutan dengankation exchangeable, yang berasal dari fasapadatan lempung. Kation yang berasal darifasa padatan lempung tersebut umumnyaialah ion-ion Na+, K+, Mg2+, Ca2+ dan H+. Halini juga ditunjukkan pad a suatu publikasitentang sorpsi neodymium pada smektit,sejenis bahan lempung lain, bahwadiamatinya unsur-unsur tersebut dalam fasalarutan tersebut setelah pengocokan denganpadatan smektit [17]. Sebagai model, reaksipertukaran ion tersebut dapat ditulis sepertiberikut:

(6)

dengan indeks I menunjukan kation dalamfasa larutan, sedangkan indeks 5menunjukkna kation dalam fasa padatan.Atas dasar tersebut, maka tetapankesetimbangan sorpsi K yang diperoleh daripersamaan (3) hanya merupakan tetapanbiasa, tanpa arti fisis. Dari model reaksipertukaran ion di atas pada persamaanreaksi (4), tetapan kesetimbangan Keq dapatditulis sebagai:

100

110!! 1

60

~.. 40CI:

~.

211~s0

1.0E-08

1.0.:-061.0E-04

1.0E-02

IRn~J (eqll)

Gambar 4. Reversibilitas sorpsi cesium, kobalt dan stronsium pada kaolin it.

152

(7)

a ialah keaktifan kation yang dapatdigantikan dengan konsentrasi, denganmemberikan faktor koefisien keaktifan.Selanjutnya dari pendekatan ini dapatdihitung koefisien distribusi, namunumumnya terdapat kesulitan karena dataten tang koefisien keaktifan dalam padatanjarang ditemukan dalam pustaka.

KESIMPULANDari percobaan sederhana telah

diperoleh data tentang sorpsi cesium, cobaltdan stronsium pada kaolin it, sebagai calonuntuk bahan backfill dalam sistempenyimpanan limbah aktivitas rendah dansedang. Sorpsi unsur-unsur tersebut padakaolinit, mengikuti isoterm Freundlich dengankinetika sorpsi yang relatif cepat kwasiirreversible serta afinitas yang besar.Kapasitas yang besar dan koefisien distribusiyang tinggi, merupakan faktor favorabel bagiretardasi migrasi radionuklida dalam bahanbackfill system penyimpanan limbah.

DAFTAR PUSTAKA1. K.W. HAN, Overview of LlLW Disposal,

paper presented in the IAEA RTC onDisposal of Low and Intermediate LevelWaste with Emphasis on Non-PowerSources, IAEA/KAERI, Taejon Korea 26Oct - 13 Nov 1998.

2. R. PUSCH, "Use of clays as buffer inradioactive repository", Unlv. Lulea,Sweden, Report for SKBF/KBS (1983)

3. I.G. McKINLEY, J. HADERMANN,"Radionuclide sorption data base forSwiss safety assessment", NAGRA TR­84-40, Wurenlingen-Switcherland,(1985).

4. Suryanto, Analisis InventoryRadionuklida dan Pembangkitan Panasdalam Disposal limbah Radioaktif, HasilPenelitian PTPLR 1996/1997, 168 (1997)

5. H.N. ERTEN, S. AKSOYOGLU, S.HATIPOGLU, H. GOKTURK, Sorption ofcesium and strontium on montmorilloniteand kaolinite, Radiochim Acta 44/45, 147(1988).

6. M. PETRANGELI PAPINI, M. MAJONE,E. ROLLE, Kaolinite sorption of Cd, Niand Cu from landfill leachates: influenceof leachate composition, Water Sci.Technol. 44, 243 (2001).

7. G. ATUN, E. BASCETIN, Adsorption ofbarium on kaolinite, illite and inmontmorillonite various ionic strength,Radiochim. Acta 91, 223 (2003).

8. AH.B. Martin, Sofyan Yatim, PratomoBudiman-S .., Sorpsi cesium oleh tanahsekitar calon tapak penyimpanan limbahradioaktif sistem tanah dangkal KawasanSerpong, Prosiding Pertemuan danPresentasi IImiah Penelitian Dasar IImuPengetahuan dan Teknologi Nuklir,PPNY - Yogyakarta, 414 (1993).

9. Dewi Susilowati, Marwoto, AH.B. Martin,Pratomo Budiman-S., Sorpsi cesiumpada lempung Sayati, Prosiding SeminarTeknologi dan Keselamatan Reaktor,serta Fasilitas Nuklir, PRSG/PPTKRBATAN - Serpong, 265 (1994).

10. AH.B. Martin, Pratomo Budiman-S,Eriendi, Serapan cesium, cobalt danstronsium pada Ballclay, ProsidingSeminar Teknologi Limbah II, PTPLR ­BATAN , 15-16 Peb.1999, 175-181.

11. Pratomo Budiman-S., Serapan cobaltdan stronsium pada lempung Sayati, J.Teknol. PengeJolaan Limbah 2 (1), 21-27(1999).

12. Teddy Sumantri, Menik Rahmawati.Sucipta, Pratomo Budiman-S., Sorpsikobalt pada tuffaan dari calon tapakpenyimpanan limbah di LemahabangSemenanjung Muria, ProsidingPertemuan dan Presentasi IImiahPenelitian Dasar IImu Pengetahuan donTeknoJogi Nuklir, P3TM BATAN , 332(2003).

13. Pratomo Budiman-S, Sucipta, TeddySumantri, Sorption of cesium andstrontium on tuffaceous soil from MuriaPeninsula, Central Java, Paperpresented in the 9th InternationalConference on Chemistry and MigrationBehavior of Actinides and FissionProducts in the Geosphere, September21-26,2003, Gyeongju Korea.

Anindyakaolin it,

UCAPAN TERIMA KASIHDitujukan kepada P.D.

Yogyakarta, atas bantuan bahanyang digunakan dalam penelitian ini.

153

14. Pratomo Budiman-S., Disertasi Doktor,Univ. Paris XI (1991).

15. B.W.M. TRAPNEL, "Chemisorption",Butterworths Scientific Pub!. London,(1955).

16. L. LARSEN, P. BO, Sorption ofRadionuclides on clay minerals, Proceed.Int. Symp. on Migration in the TerrestrialEnvironment of . Long-livedRadionbuclides, Knoxville-USA (1981),IAEA-Vienna, 97 (1982).

154

17. Pratomo Budiman S. Sorpsi neodymiumsebagai analog aktinida pada smektit,Presiding Pertemuan dan PresentasiIImiah Penelitian Dasar IImuPengetahuan dan Teknologi Nuklir,PPNY - Yogyakarta, 788 (1992)