EKSTRAKSI URANIUM SEBAGAI KOMPLEKS URANIL NITRAT

ID0100112 Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir II PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996

ISSN 1410-1998

EKSTRAKSI URANIUM SEBAGAI KOMPLEKS URANIL NITRAT DALAM ASAM NITRAT DENGAN TEKNIK EMULSI MEMBRAN CAIR Prayitno, Kris Tri Basuki, Susanto I.R, Hardjoto, Raharjo Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta

ABSTRAK EKSTRAKSI URANIUM SEBAGAI KOMPLEKS URANIL NITRAT DALAM ASAM NITRAT DENGAN TEKNIK EMULSI MEMBRAN CAIR. Telah dilakukan ekstraksi uranium sebagai kompleks uranil nitrat dalam asam nitrat dengan teknik emulsi membran cair. Fasa membran yang berupa emulsi terdiri dari kerosen sebagai pelarut, sorbitan monooleat (span-80) sebagai surfaktan dan di-2 ethyl hexyl phosphoric acids (D2EHPA) sebagai carrier atau zat pembawa serta asam fosfat sebagai fasa internal. Kondisi yang relatif baik untuk mengekstraksi uranium sebagai kompleks uranil nitrat adalah fasa emulsi membran terdiri dari fasa organik (O), fasa air internal (W) dengan perbandingan O/W = 1, konsentrasi asam nitrat dalam fasa eksternal 3M, konsentrasi D2EHPA dalam fasa membran 10%(v/v), waktu pembuatan emulsi membran 5 menit dan kecepatan pengadukan emulsi membran 7500 rpm. Pada kondisi tersebut diproleh efisiensi ekstraksi sebesar 94,24%. Hasil percobaan juga menunjukkan adanya keterbatasan jumlah uranium yang dapat diekstraksi oleh sistem membran cair ini. ABSTRACT THE EXTRACTION OF URANIUM AS URANYL NITRATE COMPLEX IN THE NITRATE ACID SOLUTION BY LIQUID MEMBRANE EMULSION TECHNIQUE. The extraction of uranium as uranyl nitrate complex in the nitrate acid solution has been carried out using a liquid membrane emulsion technique. The liquid membrane phase is in fonv of emulsion that consists of kerosene as the solvent, sorbitan monooleat (span-80) as the surfactant, di-2 ethyl hexyl phosphoric acids (D2EHPA) as the carrier agent, and phosphoric acids as the internal phase. The optimum conditions for the extraction of uranium as uranyl nitrate complex have been obtained as the following : the organic phase (O) and the water or internal liquid phase (W) ratio in the liquid membrane phase (OAA/) was 1, the concentration of nitric acid in the external phase was 3 M, the D2EHPH concentration was 10% (v/v), the extraction time was 5 minutes and the agitation speed to achieve a membrane emulsion was 7500 rpm. At this condition the extraction efficiency obtained was 94.24%. The experiments also showed that the amount of extracted uranium by the liquid membrane emulsion was limited.

PENDAHULUAN Pemisahan, pemumian dan pemekatan unsur-unsur kimiawi yang ada dalam campuran merupakan masalah penting yang banyak dihadapi oleh industri-industri kimia dan nuklir pada tahun terakhir ini. Begitu pula cara penanganan bahan-bahan kimia dengan tingkat pengotor yang cukup tinggi seperti limbah industri terutama industri nuklir merupakan masalah yang sangat mendesak. Pemisahan dapat merupakan proses yang berdiri sendiri atau merupakan kelanjutan dari suatu rangkaian proses dalam rangka mendapatkan bahan dengan tingkat kemurnian

89

yang lebih tinggi atau standard mutu yang ditetapkan. Pemisahan adalah kebalikan dari pencampuran. Pencampuran dapat berlangsung dengan sendirinya, sedangkan pemisahan tidak. Maka penelitian untuk mendapatkan metoda baru yang lebih baik dan efisien merupakan topik penelitian yang cukup menarik. Cara pemisahan konvensional seperti destilasi, ekstraksi pelarut, kristalisai dll, perlu disempurnakan dan dilengkapi dengan metodametoda baru yang lebih baik dan efisien. Pemisahan menggunakan membran telah memberikan sumbangan dan langkah baru dalam perkembangan teknologi membran dan metoda pemisahan pada umumnya.

ISSN 1410-1998

Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakar Nuklir II PEBN-BATAN, Jakarta 19-20 Nopember 1996

Pemisahan dan pemumian dengan menggabungkan metoda ekstraksi dan reekstraksi daiam satu proses, memberikan efisiensi waktu yang lebih singkat. Penggabungan proses ini dikenal sebgai metoda Liquid Surfactant Membrane (LSM). Metoda ini telah banyak diterapkan dalam proses pemurnian, pemisahan dan ekstraksi atau recoveri.^ Sebelum proses ekstraksi emuisi membran cair dikembangkan, pada umumnya dalam proses pemisahan dengan metoda ekstraksi memerlukan proses reekstraksi dengan scrubbing dan stripping. Tetapi dengan menggunakan metoda ekstraksi emuisi membran cair ini maka proses scrubbing dan stripping tidak diperlukan, karena terjadi di satu alat. Emuisi membran cair adalah film tipis yang terbentuk pada antar muka air dan minyak oleh suatu larutan surfaktan . Membran cair ini dapat terbentuk dengan cara mendispersikan campuran yang akan dipisahkan (umpan) dalam bentuk tetesan dalam surfaktan, membentuk suatu emuisi, kemudian emuisi tersebut didispersikan atau di-kontakkan dengan suatu pelarut tertentu, yang berperan sebagai media penerima permeat[2] Campuran yang dipisahkan itu dapat dibentuk emuisi minyak dalam air atau air dalam minyak, tergantung pada keadaan campuran. Berdasarkan hal ini, membran cair itu ada tipe air dalam keadaan pertama, dan tipe minyak dalam keadaan yang kedua. Fasa membran biasanya mengandung surfaktan dan bahan-bahan tambahan lainnya, yang berguna untuk mengontrol dan mengatur kestabilan, permeabilitas dan selektivitas dari pada membran. Surfaktan salah satu ujungnya bersifat hidrofil dan ujung lainnya bersifat hidrofob. Ujung hidrofil dari surfaktan tidak stabil dalam bagian fasa cairan non polar, begitu juga sebaliknya dengan ujung surfaktan yang hidrofob tidak stabil dalam bagian fasa cairan yang polar.'31 Bagian surfaktan yang hidrofil akan stabil pada bagian fasa yang polar, dan bagian yang hidrofob stabil pada fasa non-polar, sehingga molekul-molekul surfaktan cenderung untuk berorentasi pada fasa antar muka antara cairan yang lebih polar dengan yang kurang polar, dalam hal adalah ini lapisan air minyak.

90

Lapisan larutan surfaktan ini selain berfungsi sebagai membran juga berfungsi penstabil emuisi yang terjadi. Pemisahan dengan membran cair merupakan teknik baru didasarkan pada perbedaan kemampuan dari komponenkomponen yang akan dipisahkan dalam melewati membran cair yang terbentuk pada fasa muka air dan minyak, molekul-molekul surfaktan akan teradsorpsi pada permukaan tetesan sehingga menutupi seluruh permukaan tetesan dari campuran yang akan dipisahkan dan ternyata membran ini mempunyai keselektifan yang tinggi untuk beberapa senyawa hidrokarbon tertentu, yang ditentukan oleh perbedaan kelarutannya didalam membran. Campuran yang akan dipisahkan mulamula didispersikan dalam bentuk tetesantetesan dalam suatu larutan surfaktan, membentuk suatu emuisi. Kemudian emuisi tersebut dikontakkan dengan suatu pelarut organik sebagai media penerima dari permeat. Selama proses ini berlangsung salah satu komponen berpindah dari dalam tetesan ke fasa pelarut melewati membran lebih cepat dari komponen lainnya, sehingga fasa pelarut akan lebih kaya dengan komponen yang lebih permeabel dalam melewati membran cair,121 sedangkan tetesan-tetesan akan lebih kaya dengan komponen yang kurang permeabel, sehingga tercapailah suatu pemisahan. Metoda pemisahan menggunakan sistem membran dikenal sebagai metoda Liquid Surfactant Membrane (LSM) atau metoda membran emuisi cair. Membran cair dibentuk dengan mengemulsikan campuran dua fasa cair yang tidak saling bercampur. Untuk menstabilkan emuisi ditambahkan surfaktan yang berfungsi untuk menurunkan tegangan pada bidang antar muka dari setiap fasa.141 Proses ekstraksi melalui teknik membran emuisi cair merupakan proses tiga fasa. Fasa kontinyu adalah fasa air dengan material logam yang akan dipisahkan (fasa ekstemal). Sebagai fasa diam adalah fasa membran terdiri dari pelarut organik dan larutan pengekstrak serta fasa air yang mengandung larutan re-ekstraksi (stripping). Selama proses ekstraksi berlangsung senyawa kompleks logam

ISSN 1410-1998


pengekstraks terbentuk pada bidang antar muka dari fasa air eksternal dan fasa membran.11'21 Senyawa kompleks tersebut akan melewati membran dan terdekomposisi pada bidang antar muka fasa air internal. Kestabilan kompleks tersebut diatur oleh pH, pada pH rendah tidak stabil. Mekanisme transfer massa terlarut dari fasa air eksternal melalui membran merupakan model lapisan batas yang hanya diperuntukkan untuk fasa eksternal sebagai penggerak. Pada umumnya transfer massa terlarut yang melewati bidang antar fasa cair-cair terjadi karena perbedaan konsentrasi.[2|3-41 Pembentukan senyawa kompleks terekstraksi merupakan permasalahan pada pemisahan logam secara ekstraksi emulsi membran cair. Berdasarkan pada pertukaran kompleks uranium dalam larutan asam nitrat terjadi kesetimbangan sebagai berikut: UO2(NO3)2.6(H2O) + 2HNO3 UO2(H2O)6(NO3)2 + 2HNO3

<;

>

Jika kompleks uranil nitrat dominan dalam kesetimbangan tersebut, maka pengambilan uranium dalam media asam dapat menggunakan D-2EHPA dalam kerosen sebagai ekstraktan. Ekstraksi uranium dalam larutan menggunakan D-2EHPA yang tergolong organo fosfor asam.151 Mekanisme reaksi menggunakan ekstraktan D-2EHPA (H2X2), dapat dibedakan untuk konsentrasi H < 1 M adalah sebagai berikut: 2+

UO2 [UO2X2] untuk konsentrasi H berikut:

[UO2X2] + 2H" [UO2X2 (HX)2] > 1 M adalah sebagai

HNO, UO 2+ + 2H,X 2 /\ 2 [UO2X2(HX)2 HNO3] + 2H + 2+

2H 2 X 2 [(UO 2 X 2 ) 2 HNO 3 ] 2

HNO3 4H +

Reaksi stripping pada fasa internal asam fosfat dapat terjadi sebagai berikut: (UO2X2)+3H3PO4 i=± UO2(H3PO4)3]2+2X" (UO2X2(HX)2 HNO3] + 3H3PO4

91

(UO2(H3PO4)3)2++2X"+2HX + HNO3 Beberapa faktor yang mempengaruhi distribusi uranium pada ekstraksi emulsi membran cair diantaranya : Kandungan nitrat dalam larutan umpan, kandungan ligan dalam ekstraktan, waktu dan kecepatan pembentukan pembuatan emulsi membran. TATA KERJA Bahan Uranil nitrat heksa hidrat, asam nitrat, di-2 ethyl hexyl phosphoric acids, kerosen, asam fosfat, sorbitan monooleat (span-80), butanol dan arsenazo III.

Alat Satu set alat pengaduk mekanik ultra-turrax T-50, pengaduk magnet , batang magnet, peralatan gelas, stopwatch, thermometer, pH meter dan Spektrofotometer UV/VIS. Cara Kerja 1.

Pembuatan larutan standard uranil heksa hidrat sehingga fasa kontinyu dalam suasana asam nitrat 2. Kalibrasi uranium dengan UV/VIS. 3. Pembuatan emulsi membran dilakukan dalam pengaduk ultra turrax T-50 dengan komposisi 5% surfaktan, fasa air internal asam fosfat 1 M, fasa organik D-2EHPA 10% dalam kerosen volume total 40 ml. Perbandingan fasa membran dan fasa air internal =1. [ 6 1 4. Variabel yang dipelajari antara lain: • Variasi konsentrasi asam nitrat: 1, 2, 3 dan 4 M • Variasi konsentrasi ekstraktan : 1, 5, 10, 15 dan 20%. • Variasi lama pengadukan : 2, 5, 10 dan 15 menit • Variasi kecepatan pengadukan ; 2500, 5000, 7500 dan 10000 rpm. 5. Menentukan kandungan uranium pada fasa air eksternal dan fasa air internal, dikomplekskan arsenazo III dan dianalisa memakai spektrofotometer UV/VIS.

ISSN 1410-1998


HASIL DAN BAHASAN 1.

Pengaruh asam nitrat fasa eksternal terhadap prosen efisiensi ekstraksi dan stripping

Gambar 1 menunjukkan bahwa konsentrasi asam nitrat pada larutan umpan (fasa air eksternal) dapat mempengaruhi efektivitas ekstraksi dan stripping uranium. Makin tinggi konsentrasi asam nitrat, maka makin tinggi efektivitas ekstraksi uranium. Bertambahnya ion NO3 dalam larutan akan mendorong terbentuknya molekul UO2(NO3)2. Uranium terekstrak oleh ekstraktan sehingga meningkatkan uranium dalam larutan, koefisien distribusi uranium meningkat dan efisiensi ekstraksi akan meningkat pula. Akan tetapi kelebihan asam nitrat dapat menyebabkan menurunnya koefisien distribusi karena pada konsentrasi asam nitrat tinggi, asam nitrat akan terekstrak pula oleh ekstraktan dan ekstraktan tersebut mulai terjadi kerusakan menjadi Mono ethyl hexyl phosphoric acids setelah konsentrasi 3M.

sebesar 10% (v/v). Semakin besar ekstraktan semakin tinggi kecepatan ekstraksi. Tetapi besarnya konsentrasi yang diperlukan untuk mengekstrak suatu ion logam (uranium) mempunyai harga optimum tertentu, di mana di bawah dan di atas konsentrasi optimum tersebut kemungkinan terjadi reaksi yang berbeda. Konsentrasi dibawah harga optimum menyebabkan ekstraktan tidak cukup mampu untuk mengkomplekkan semua ion uranium yang ada dalam larutan, sehingga anion-anion yang ada dalam larutan ikut serta berperan dalam pembentukan kompleks logam. Zat pembawa dan kestabilan kompleks yang dihasilkan sangat ditentukan oleh jenis anion dalam larutan. Penggunaan konsentrasi D-2EHPA diatas harga optimum tidak akan banyak mempengaruhi hasil ekstraksi karena D-2EHPA sebagai senyawa zat pembawa dalam hal ini bersifat mobil didalam membran. Setelah dilepas ion logam pada fasa internal, senyawa zat pembawa ini akan segera berdifusi balik ke fasa eksternal untuk mengkomplekkan ion logam kembali. Pemakaian zat pembawa yang terlalu besar memungkinkan terjadinya interaksi gugus polar zat pembawa dengan air dalam fasa eksternal sehingga mendorong proses osmosa.

100

100

ekstraksi

re-ekstraksi

60 •

50 o

i

2 3 Konsentrasi HNOj (molar)

4

Gambar 1. Pengaruh Konsentrasi Asam Nttrat Terhodap Eflslensi (*) Oatroksl don Stripping. 50 3

5

7 9 11 13 15 Konsentrasi ekstrakton (%) Gambor 2. Pengaruh Konsentrasi Ekstroktan (30 Terhadop Efisiensi (%) Ekstraksi don Strlppnlg

2. Pengaruh konsentrasi D-2EHPA terhadap prosen ekstraksi dan stripping Pada Gambar 2 terlihat bahwa pengaruh konsentrasi ekstraktan mencapai kondisi maksimum pada penggunaan konsentrasi

92

3.

Pengaruh waktu pembentukan emulsi membran terhadap prosen efisiensi ekstraksi dan stripping.

ISSN 1410-1998


Pada Gambar 3 terlihat bahwa pada pembentukan emulsi membran yang cukup baik selama 5 menit. Setelah 5 menit tidak menunjukkan adanya pengurangan ukuran partikel, jadi hanya prosen efisiensi menjadi semakin turun. Waktu pengadukan diatas 5 menit akan mempengaruhi stabilitas emulsi karena emulsifikasi merupakan kesetimbangan antara proses pemecahan dan penggabungan kembali. Pada beberapa menit pertama sampai waktu optimum masih sedikit partikel emulsi yang terbentuk sehingga bersatunya butir tetesan (koalesen) partikel emulsi tidak terjadi. Dengan bertambahnya waktu pengadukan partikel emulsi yang terbentuk semakin banyak, menyebabkan tumbukan semakin sering dan akhirnya terjadi koalesen sehingga emulsi tidak stabil, emulsi meningkat dan daya pisahnya menurun. 4.

Untuk pengadukan yang terlalu tinggi emulsi mulai akan pecah. Perbedaan viskositas antara fasa terdispersi dengan fasa kontinu ikut menentukan besar kecilnya kecepatan pengadukan emulsi. Hal ini menyebabkan perbedaan viskositas antara fasa terdispersi larutan asam fosfat dengan fasa kontinu cukup besar sehingga memerlukan tenaga yang besar pula dalam rangka pembentukan antar muka yang baru.

^ 90 - 80 V, c -

0

70

UJ

Pengaruh kecepatan pengadukan pembentukan emulsi membran terhadap prosen efisiensi ekstraksi dan stripping.

60 Strip ping 0'

50 2000

4000

60O0

8000

1E4

Kecepatan pengodukan pembentukan emulsi (rpm) Comber +. Penqoruh kecepatan Pengodukan Terhadap Efisiensi (*) Ekstraksi don Stripping.

Pada Gambar 4 terlihat bahwa pada pengadukan sebesar 7500 rpm diperoleh prosentase efisiensi tertinggi. Dibawah kondisi tersebut terjadi penurunan efisiensi. Dalam hal ini pada pengadukan dengan kecepatan rendah, pemecahan emulsi menjadi partikelpartikel berukuran sangat kecil belum dapat terbentuk dengan sempuma, sehingga daya pisahnya rendah.

SIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian ekstraksi uranium sebagai komplek uranil nitrat dalam asam nitrat dengan metoda emulsi membran cair ini, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1.

2. 2

4 5 8 10 12 Waktu pembentukan emulsi (menit)

14

H

3.

Gambar 3. Pen
4.

93

Surfaktan yang sesuai untuk pembuatan emulsi membran adalah sorbitan monooleat (span 80) 5% dari fasa organik Kondisi keasaman optimal fasa air eksternal adalah pada konsentrasi 3 M asam nitrat Kecepatan dan waktu pengadukan pada pembuatan emulsi membran cair pada kecepatan 7500 rpm dan waktu 5 menit. Efisiensi 94,24% fasa eksternal (ekstraksi) dan efisiensi 54,13% fas internal (stripping).

ISSN 1410-1998


DAFTAR PUSTAKA [1] ABOU-NEMEH and VAN PETEGEM, "Membrane recycling in the Liquid Surfactant Membrane Process", Ind. Eng. Chem. Res., 32, 143-147, (1993). [2] N.N., "Permeation Through Liquid Surfactant Membrane" AICHE Journal., 17, 459-463,(1971). [3] ANIEF, M., "Emulsi", (Fakultas Farmasi Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 1985). [4] JOHANES, H., "Pengantar Kimia Koloid dan Kimia Permukaan", (Universitas Gadjah Mada Press, Yogyakarta, 1973). 167-173. [5] HAYWORTH, H.C., BURNS, W.A., "Extraction of Uranium From Wet Process Phosphoric Acids by Liquid Membrane", Sep. Sci. Technol., 18, 493-521, (!983). [6] PRAYITNO , MV PURWANI, BASUKI K.T "Teknologi Alaternatif Untuk Ekstraksi Limbah Uranium dengan Emulsi Membran Cair", Prosiding Panel Diskusi Dan Poster llmiah dalam IPTEK (1995).

TANYA JAWAB 1. Hafni Lissa Nuri • Bagaimana cara memecah emulsi dalam tahap akhir (pemisahan fasa internal dengan fasa organik)? Karena pengalaman kami di lab. kalau memakai alkohol maka organik menjadi rusak. • Efisiensi stripping masih terlalu rendah mungkin disebabkan oleh konsentrasi H3PO4 yang belum optimal. Apakah sudah ada parameter konsentrasi H3PO4 dan perbandingan O/A? (perbandingan organik D2EHPA dengan fasa internal) Prayitno • Cara pemecahan emulsi membran tahap akhir dengan cara pemanasan. • Sudah ada parameter konsentrasi H3PO4, tetapi perbandingan O/A belum dilakukan. Mengenai perbandingan D2EHPA dengan fasa internal, yang telah dilakukan yaitu perbandingan fasa membran dengan fasa umpan.

94

2. Mainar Sj. • Berapa batas konsentrasi U yang dapat diekstraksi menggunakan teknik emulsi membran cair ini, mohon dicantumkan. • Dalam abstrak disebutkan asam fosfat sebagai fasa internal digunakan sebagai bahan stripping, mohon disebutkan batas konsentrasi/jumlah pemakaian asam fosfat tersebut (dari acuan yang telah dilakukan). • Kalau melihat hasil stripping hanya 54,45 %, masih terlalu sedikit, berarti perlu diamati konsentrasi fosfat yang dipakai agar stripping menjadi naik (untuk menentukan stage). Mohon penjelasan. Prayitno • Batas konsentrasi U yang diekstraksi dapat dilakukan antara 50 ppm - 3000 ppm. • Batas konsentrasi asam fosfat total yang digunakan 1 M. • Untuk proses selanjutnya perlu dilakukan tahapan proses menjadi 2 kali proses. 3. Harmin M. • Apa yang dimaksud dengan fasa internal, eksternal, membran dan organik ? • Dari percobaan/penelitian ini apakah ada limbah? Bila ada, apa masih mengandung uranium? Limbah tersebut apakah masih diolah?

Prayitno • Fasa internal : merupakan fasa/bahan sebagai pen-stripping. • Fasa eksternal : fasa air dengan material/logam yang akan dipisahkan. • Fasa membran : campuran dari ligan/ekstraktan, pelarut kerosen dari fasa intemal/fasa pen-stripping. • Fasa organik : fasa yang sudah bebas dari limbah. • Percobaan ini limbah diharapkan sudah tidak ada sehingga bebas bahan pencampur. Kalau uranium masih ada maka perlu dilakukan pengolahan lagi untuk menghilangkan bahan pencampur.

EKSTRAKSI URANIUM SEBAGAI KOMPLEKS URANIL NITRAT

Recommend Documents