Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003
LEMPUNG BERPILAR UNTUK KESELAMATANPENGELOLAAN LIMBAH RADIOAKTIF
ISSN 1693 - 7902
Husen Zarnroni, Tharnzil LasPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif (P2PLR) - BAT AN
ABSTRAKLEMPUNG BERPILAR UNTUK KESELAMA TAN PENGELOLAAN LIMBAHRADIOAKTIF. Lempung berpilar (pillared clay) dapat digunakan tidak hanya untukbalifill material dalam sistim penyimpanan limbah radioaktif, tetapi juga sangatdiperlukan untuk bahan sorben dalam pengolahan limbah radioaktif aktivitas rendahdan sedang. Lempung berpilar dibuat dari bahan bentonit alam yang direaksikandengan ZrOCh.8H20. Identifikasi lempung berpilar diukur dengan spektrometer X-RayFluorescence dan kemampuan penyerapan oleh lempung berpilar terhadap radionuklidaCs-137 pada konsentrasi CsCI O,OIM, 0,05~ dan 0,1 M menghasilkan nilai Kd(koefisien distribusi) berturut-turut sebesar 1619 ml/g, 1133 ml/g dan 800 ml/g.Lempung berpilar mampu menyerap radionuklida Cs-137 dalam limbah aktivitasrendah. Dan bila digunakan sebagai backfill material, tidak hanya mampu menahanaliran air tanah, tapi juga mampu menahan lepasnya radionuklida ke lingkungansehingga terjamin keselamatan penyimpanan limbah radioaktifKata kunci : bentonit, pertukaran ion
ABSTRACTPILLARED CLAY FOR THE SAFETY OF RADIOACTIVE WASTESMANAGEMENT. Pillared clay (PILC) is used not only as backfill material inradioactive waste disposal system, but also as an important inorganic-sorbent fortreatment of low-and intermediate-level radioactive wastes. PILC is made from natural
bentonite and treated by ZrOCh.8H20. The identification of PILC was measured by XRay Fluorescence Spectrometry and the ion-exchange capacity against Cs-137 insimulated waste containing Cs-13 7 in carries of 0,0 1M, 0,05M and 0, I M CsCI, resultedin the distribution coefficient, Kd was of 1619 ml/g, 1133 ml/g and 800 ml/g,respectively. These results were showed that the PILC could also be useful for not onlyblocking the water movement, but also adsorbting of nuclide to protect the radionuclidemigration into the environment.Keywords: bentonite, ion exchanger
221
Seminar Tahunan Pengawasan Pcmanfaatan Tcnaga Nuklir - Jakarta, II Dcsembcr 2003
PENDAHULUAN
ISSN 1693- 7902
Minerallempung telah dikenal semenjak 200 tahun yang lalu, tetapi masyarakat
lebih mengenal manfaat lempung bahan baku pembuatan keramik. Mineral lempung,
bila dicampur dengan air akan membentuk pasta yang dapat dibentuk dalam berbagai
rupa, bila dipanaskan akan menjadi keras. Bentonit berasal dari abu gunung api
(vulcanic ash) yang membeku dalam berbagai kondisi hidrotermal, sehingga bentonit
suatu lokasi dengan warna dan tekstur yang sama mungkin berbeda dalam komposisi
kimia dengan bentonit yang diperoleh dari tempat lain yang disebabkan karena
kombinasi lempung material yang berupa partikel halus dengan berbagai impuritis. Hal
ini telah menyebabkan dikenalnya berbagai jenis bentonit seperti bentonit Wyoming,
Amerika, bentonit Suray Inggris dan bentonit Kunipia Jepang dan bentonit Trenggalek
Jawa Timur (6).
Bentonit di bidang Teknologi nuklir biasanya dimanfaatkan sebagai bahan
adsorbent dan sebagai bahan buffer material (bahan isian) pada penyimpanan limbah
tanah dangkal maupun penyimpanan tanah dalam. Bentonit sebagai bahan isian harus
mempunyai sifat yang sangat bagus sehingga dapat mengurangi migrasi radionuklida
dalam tanah. Bentonit mempunyai sifat mudah swelling apabila kena air. Bentonit yang
mudah mengalami swelling kurang bagus apabila digunakan sebagi bahan isian.
Swelling pada bentonit dapat dihindarkan dengan dibuat pilar diantara dua lapisan pada
bentonit. Bentonit yang sudah terpilar dikarakterisasi untuk dapat digunakan sebagai
bahan adsorbent, molecular sieving dan katalis.
Pada struktur zeolit atom Al dan Si berkoordinasi dengan seluruh atom oksigen
dalam bentuk tetrahedra silika atau alumina sedangkan atom Al akan bermuatan negatif
dan dinetralisir oleh logam alkali atau alkali tanah untuk mencapai struktur yang stabil.
Inilah yang membedakan zeolit dengan bentonit yang adalah senyawa alumino silikat
dengan struktur lapisan (layer),
DASAR TEOR!
Mineral lempung yang banyak diteliti adalah jenis kaolinit (Si4AI40IO)(OH)s,
monmorillonit dan illit mempunyai (Sis Al4 020)(OHkn H20. Struktur kristal
lempung adalah dua dimensi lapisan yaitu atom silika (lapisan silika) bentuk tetrahedra
dan atom aluminium (lapisan AI) dalam bentuk oktahedra. Tetrahedra silika terikat
222
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003 [SSN 1693 - 7902
secara hexahedra Si406(OH)4 sedangkan oktahedra Al berikatan secara Ah(OH)4 yang
berikatan secara Van der Waals (fisik) membentuk lapisan alumino-silikat karena
kondisi terjadinya bentonit, memungkinkan terjadinya substitusi Si oleh Al (bentuk
tertrahedra), menyebabkan mineral lempung kekurang muatan - (negatif) yang
dinetralisir oleh logam alkali dan alkali tanah. Ion logam tersebut berada diantara
lapisan, sehingga dapat dipertukarkan dengan ion lain menyebabkan bentonit
mempunyai sifat penukar ion.
Monmorillonit dan illit mempunyai tiga lapisan struktur terdiri dari lapisan Si,
lapisan Al dan lapisan Si, diantara lapisan ini terisi oleh molekul air yang dan logam
alkali serta alkali tanah menyebabkan pergeseran jarak atom (swelling) sebagaimana
terlihat pada Gambar 1. Lapisan terse but akan bergabung dan sudut kisi tetrahedral
silika membentuk lapisan dengan lapisan hidroksil dari oktahedral, sehingga terbentuk 3
lapisan silikat "Lempung mineral" yaitu tetrahedral (Si)- oktahedral (AI) - tetrahedral
(Si). Atom-atom yang terikat pada masing-masing lapisan struktur montmorillonit
memungkinkan air akan memasuki antara unit lapisan, sehingga kisi akan mengembang.
Lapisanterahedral
LapisanOktahedra
--
Posisi
interlayer --
~ SIAl
0AI.Fe.Mg
00
@
OH
Kation(Ca2+ .Na2+)+nH20
Gambar 1. Kristal struktur montmorillonite (Grim,1968)
223
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Dcscmber 2003 ISSN 1693 - 7902
Montmorillonit memiliki struktur yang membentuk lapisan-Iapisan. Ruang antar
lapisan-Iapisan tersebut biasanya ditempati oleh molekul air ataupun kation-kation yang
dapat dipertukarkan. Struktur yang demikian menyebabkan bentonit tidak begitu tahan
terhadap perlakuan suhu dan akan mengalarni kerusakan struktur pad a suhu 650°C.
Bentonit mudah mengalarni swelling apabila kontak dengan air. Guna menghindari
keduanya struktur yang berupa lapisan tersebut dapat diubah menjadi suatu bahan yang
memiliki struktur pori dua dimensi, yaitu dengan membentuk pilar-pilar antara lapisan
lapisannya. Bentonit alarn dan bentonit berpilar (Garnbar 2). Pembentukan pilar ini
menyebabkan bentonit tidak mengalarni swelling, luas permukaannya menjadi besar
dari 100 m2/grarn menjadi sekitar 250 m2 /grarn dan mempunyai poros yang sarna.
Bahan yang digunakan sebagai bahan pilar biasanya inorganic poly cations bentuk
metal organic. Pillared Interlayer Lempung dibuat dengan beberapa senyawa inorganic
carnpuran hydroxy diantaranya, hydroxy-AI, hydroxy-Zr, hydroxy-Ti, hydroxy-Ni dan
hydroxy-Fe diutarnakan yang bermuatan positif.(2)
Dehydloflon-., Calcination
' .. :-----<) (;) () c:::> @@ @ c:::> () () C)
~\; ~--:. -.--a-.-B-e:=- ·c::::"Pillared Clay Hydration Dehyd ration-<:a Ie ina tion
.•.
_1.'1_ c:::> ~ c:::> ~·.I_.,." -- '~\,
_ Cation
Hydrated cation
_ Pillar
b. Bentonit berpilarClay layer
Gambar 2. Efek swelling pada bentonit dan bentonit berpilar(S)
224
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desember 2003
TAT A KERJA
ISSN 1693 - 7902
Bentonit yang digunakan jenis Ca bentonit dengan ukuran 100 mesh yang sudah
dicuci dengan bersih dan dikeringkan pada suhu 90°C. Zirkonium yang digunakan dari
Merck dalam bentuk zirconyl chloride padat (ZrOCh.8H20). Pembuatan bentonit
berpilar dilakukan dengan menambahkan larutan polioksokation dari zirconyl chloride
(ZrOCh.8H20) dalam air pada suhu 90°C serlama 24 jam. Sebanyak 33 gram bentonit
yang sudah dikeringkan dilarutkan dalam air 1000 ml yang sudah mengandung zirconyl
chloride (ZrOCh.8H20) masing-masing sebanyak 0,01 M, 0,05 M, O,IM. Campuran
distirer selama 24 jam dan dipanaskan pada suhu 90°C. Setelah 24 jam campuran di
saring dan dicuci sampai bebas khlor dengan air demin, untuk menentukan sudah bebas
khlor atau belum digunakan 0, I M AgN03 . Bentonit yang sudah terpilar dikeringkan
dalam oven pada suhu 110°C. (Gambar 3) (2).
Bentonit yang sudah terpilar selanjutnya dikarakterisasi dengan X ray flouresensi.
Bentonit awal dan bentonit berpilar dibuat dalam bentuk matrik gelas dengan cara
ditambahkan lithium tetra borate kemudian dipanaskan pada suhu sekitar 1250°C
sampai terbentuk gelas. Analisis serapan cesium-I 37 menggunakan alat Liquid
Scintillation Analyser (LSA). Larutan yang mengandung Cs-137 sebanyak 20 ml
dimasukkan dalam vial polyetilene 25 ml yang berisi 0.1 gram bentonit berpilar. Sampel
diambil 10 ml kemudian di cacah dengan LSA.[7] Koefisien distribusi ditentukan
dengan rumus:
Kd = (Ao - At) VAt x W
Ao = Aktivitas radioaktiv awal
At = Aktivitas setelah kesetimbangan
V = Volume larutan awal
W = Berat bentonit
225
(I)
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desembcr 2003 ISSN 1693 - 7902
Sedangkan untuk menentukan efisiensi penyerapan ditentukan dengan rumus:
Ef = Ao - At xI 00% (2)Ao
Ef = Efisiensi penyerapan
Ao = Aktivitas radioaktiv awal
At = Aktivitas setelah kesetimbangan
La ruta nZrOC12.8H20 O,lM
Hidrolisa dengan~I pengadukan selama
24 jam
Suspensi bentDniteCm0ntm 0 rillo nite)
'"'
La ruta n IPolioksokation •
I.•.
I Pengadukan 24 jam II
Pem isa han denga nfiltra si/se ntrifug a si
Pengeringan pad asuhu 50-120 C
I!
.•.
Ka lsina sina si pad asuhu 500 C Montm o rillo nitlb e rp lIa r
Gambar 3. Diagram alir preparasi montmorillonit berpilar
HASIL DAN PEMBAHASAN
HasH analisa penyerapan Cesium-I37 oleh benton it berpilar ditunjukkan dalam
Gambar 4. penyerapan dapat mencapai kesetimbangan setelah waktu kontak 1-2 jam
dengan efisiensi penyerapan 80 % .
226
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003 ISSN 1693 - 7902
100
~ 80L'iij 60c,9! 401/1
10:UJ 20-
o
o 20 40 60
Waktu kontak (jam)
80
Gambar 4. Hubungan waktu kontak dengan efisiensi penyerapan
Efisiensi penyerapan pada bentonite berpilar 0,01 M dicapai maksimum pada pH 3
dengan efisiensi sebersar 89 % (Gambar 5) dan koefisien distribusi (Kd) sebesar
1619ml/g, -~ 100c[ 80
~ 60>-
a; 40Q,
'iij 20cQ)
'iij 0 -,10:
UJ 0 2 4
pH
6 8
Gambar 5. Hubungan pH dengan efisiensi penyerapan bentonit berpilar 0,01 M
Efisiensi penyerapan pada bentonit berpilar 0,05 M dicapai maksimum pada pH 1
dengan efisiensi sebersar 85 % (Gambar 6) dan koefisien distribusi sebesar 1133 ml/g,
c:
[ 100~ 80~c: _ 60~ ~ 40.~ 20.~ 0CII
:n 0 2
.... -.4 6 8 10
pH
Gambar 3. Hubungan pH dengan efisie~si penyerapan bentonit berpilar 0,05 M
227
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, 11 Oesember 2003 ISSN 1693 - 7902
Efisiensi penyerapan pada bentonit berpilar 0,1 M dicapai maksimum pada pH 3
dengan efisiensi sebesar 80 % (Gambar 4) dan koefisien distribusi sebesar 800 mUg.
-~~ 100cIV 80Q. I!4160>- C41 40Q.
'0 20c 41'iij 0t;:: W 0246810
pH
Gambar 6. Hubungan pH dengan efisiensi penyerapan bentonit berpilar 0,1 M
Bentonit berpilar dari 0,01 M, 0,05 M dan 0,1 M zircon memberikan hasil yang
cukup baik dalam penyerapan meskipun lebih rendah dari bentonit mumi karena
sebagian ruangan bentonit terisi oleh zircon. Semakin tinggi konsentrasi zircon yang
terserap dalam bentonit menyebabkan pula penurunan serapan bentonit terhadap
cesium-137.
Kenaikan jumlah zircon di dalam bentonit tidak mempengaruhi perbadingan Si/Al
dalam bentonit. Pada bentonit mumi perbandingan Si/AI adalah 3.6 sedangkan dalam
bentonit berpilar perbandingan Si/AI adalah 3.7. Sebagai perbandingan Lempung
standar menunjukkan perbandingan Si/Al adalah 2,62 sedangkan perbandingan Si/Al
adalah 2,84 untul Zr-PILC. Perbandingan ini menunjukkan secara struktur bentonit
tidak men galami perubahan juga menunjukkan Ca2+ dan Na+ yang menurun jumlahnya
demikian juga pada lempung standar dan Lempung-PILC banyak kation-kation (Ca 2+,
N a+) yang ada dalam layer tergantikan dengan zirkon. Zirkon yang berada dalam
bentonit membentuk pilar diantara dua lapisan sehingga bentonit mempunyai poms
yang tetap.
KESIMPULAN
Bentonit berpilar mempunyai kelebihan yaitu porosnya relatif seragam dan tidak
mengalami swelling. Besar koefisien distribusi bentonit berpilar berturut-turut 1614
mUg (gb. 4), 1133 mUg (gb. 5) dan 800 mUg (gb.6).
228
Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desem~r 2003
DAFT AR PUST AKA
ISSN 1693 - 7902
1. A. Dyer, N.D. James and N.l Terrill, Uptake of Cesium and Strontium
Radioisotopes onto Pillared Clays (1998);
2. A. Dyer, T. Gallardo and C.W. Roberts, Preparation and Properties of Clays
Pillared with Zirkonium and Their Use in HPLC Separation (1989);
3. J.T. KLOPOGGE, Synthesis of Smectite and Porous Pillared Clay Catalyst
(1997);
4. H.Y. Zhu, E.F. Vansant and lA. Xia and G.Q.Lu, Porosity and Thermal Stability
of Montmorillonite Pillared with Mixed oxides of Lanthanum, Calcium and
Aluminium (1996);
5. E.F. Vansant, Chemical Modification of oxide Surfaces, 1999;
6. Buku Laporan Tahunan Pertambangan Departemen Pertambangan dan Energi,
Tahun 1991-1995, diolah oleh PPTM, agustus 2000;
7. Thamzil Las, Use of Natural Zeolites for Nuclear Waste Treatment, 1989.
DISKUSI
Pertanyaan (Karnoyo, P2RR - BATAN) :
Suhu panas struktur bentonit 650 °c, pada suhu berapa swelling terjadi ?
Jawaban (Husein Zamroni, P2PLR - BATAN) :
Bentonite mengalami sucelling jika kontak dengan air. Proses swelling ini tidak
tergantung dari suhu tinggi.
229
Top Related