ISSN 0216 - 3128
122
STUDI INHIBITOR KALIKSARENA SEKUNDER RSG-GAS
Itjeu Karliana
PADA
SISTEM
PENDINGIN
Itjeu Karliana Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir-BATAN
ABSTRAK STUDI INHIBITOR KALIKSARENA PADA SISTEM PENDINGIN SEKUNDER RSG-GAS. Kerak menjadi masalah yang terdapat dalam sistem pendingin demikian pula dengan sistem pendingin sekunder Reaktor Serba Guna G. A Siwabessy (RSG-GAS). Kerak bisa menyebabkan berkurangnya efisiensi pertukaran panas dari alat penukar panas karena menyebabkan tersumbatnya pipa. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi pembentukan kerak, diantaranya kualitas air, temperatur air dan laju alir. Dalam makalah ini dikaji secara teoritis mengenai pengaruh pemakaian inhibitor Kaliksarena untuk menekan pertumbuhan kerak pada sistem pendingin sekunder RSG-GAS. Kaliksarena merupakan inhibitor organik yang memiliki cincin aromatik dengan struktur berongga dan memiliki empat gugus metoksi yang berperan sebagai pengompleks kuat, yang berfungsi sebagai penjebak Ca2+ atau Mg2+, membentuk kompleks khelat lalu larut dalam air sehingga menutup kemungkinan pertumbuhan kristal yang besar dan mencegah kristal kerak yang melekat pada pipa pendingin tersebut. Tujuan studi adalah untuk mengamati perilaku inhibitor Kaliksarena terhadap pertumbuhan kerak dalam air sistem pendingin sekunder RSG-GAS. Metode yang dilakukan yaitu dengan cara mempelajari struktur kimia dan sifat-sifat kaliksarena, dan interaksi inti kristal pembentuk kerak dari logam Ca dan Mg dengan inhibitor Kaliksarena. Diasumsikan inhibitor organik Kaliksarena dicampurkan ke dalam air pendingin sekunder yang berasal dari sumber air tanpa pengolahan lebih lanjut kemudian dihitung kelarutan kompleks logam dominan (Ca dan Mg) yang ekivalen dengan Kaliksarena dalam air pendingin sekunder. Dari perhitungan diketahui dosis ekivalen dalam 1 m3 air adalah sebanyak 1,3614 g per liter inhibitor Kaliksarena. Dari hasil kajian dapat diketahui bahwa masalah kerak dalam sistem pendingin sekunder dapat dipahami sehingga tidak mengurangi efisiensi perpindahan panas pada alat penukar panas. Kata kunci : kaliksarena, inhibitor, sistem pendingin sekunder.
ABSTRACT STUDY OF CALIXARENE INHIBITOR IN THE SECONDARY COOLING SYSTEM OF RSG-GAS. Scales is among of the problems in secondary cooling system at Reaktor Serba Guna GA. Siwabesy (RSG-GAS) or pool reactor generally because it can decreased the efficiency of heat transfer in the heat exchanger therefore water flow plugged inside the pipes. There are several factors to form of scales, for instances water quality, water temperature, and flow rate. In this paper are described theoretically the effect of calixarene inhibitor to depress the scale growing in the secondary cooling system of RSG-GAS. Calixarene is organic inhibitor has aromatic chains, hollow structure form and four methoxy group supporting the strong complex to trap the Ca2+ or Mg2+ ion. The chelat complex between Ca2+ or Mg2+ dissolve in water therefore to close the large crystal possibly and to prevent crystal scale binding on the cooling pipes. The goals of study is to observe the calixarene behavior to the scale growing in secondary cooling of RSG-GAS. The method applied to study chemical structure dan calixarene properties, interaction between calixarene with crystal scale forming from Ca2+ and Mg2+ and theoritical calculation of inhibitor equivalent doses to precipitate Ca2+ or Mg2+ scales. Assuming that calixarene organic inhibitor mixed to secondary cooling system which from water resource without pretreatment and then to calculate metal complex dominant (Ca and Mg) equivalent to calixarene in the secondary cooling water. According to theoritical calculation gained that the equivalent doses in 1 m3 water is 1,3614 g per liter. From the assessment result has been identified that the scale problems in the secondary cooling system were understood so that the lowering of heat transfer efficiency in the heat exchanger avoided. Keywords : calixarene, inhibitor, secondary cooling system.
PENDAHULUAN
S
istem pendingin sekunder adalah tempat untuk pembuangan panas yang terakhir dari reaktor. Panas yang terbentuk pada sistem primer dipindahkan ke sistem sekunder melalui alat penukar panas dan akhirnya dibuang ke atmosfer melalui menara pendingin. Sistem ini mampu membuang panas total 33000 KW dan terdiri dari 2 bagian sistem pemipaan yang masing-masing bagian kapasitasnya
50%. Tiap bagian pemipaan tersebut terdiri dari pompa, alat penahan panas, pipa dan menara pendingin. Sistem pendingin sekunder didisain juga mampu mendinginkan air primer, sehingga suhu aliran inlet ke kolam reaktor tidak melebihi 40 oC. Komponen-komponen sekunder terdiri dari : 3 buah pompa pendingin sekunder yang terbuat dari besi karbon tuang berbentuk keong dilengkapi sambungansambungan untuk ventilasi dan pembuangan air, filter
Buku I Prosiding PPI - PDIPTN Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 14 Juli 2009
ISSN 0216 - 3128
Itjeu Karliana
mekanis yang berguna utuk melindungi pompa dari kotoran-kotoran yang mungkin terbawa dari kolam menara pendingin, serta dua jalur menara pendingin yang masing-masing jalur terdiri dari 3 modul yang beroperasi paralel dan satu modul tambahan yang dihubungkan kesalah satu jalur, katup-katup, dan pipa sekunder. Pada sistem pendingin sekunder pipa yang berada didalam kolam terbuat dari stainless steel. Pipa serta katup yang berada diluar gedung reaktor terbuat dari bahan karbon steel, sedangkan pipa dan katup didalam gedung reaktor terbuat dari bahan stainless steel. Meskipun kesadahan air sistem pendingin sekunder dikondisikan sesuai dengan spesifikasi air pendingin tetapi karena pengaruh suhu, laju alir dan pH dapat mendorong pembentukan kerak pada lapisan logam pipa-pipa pendingin dan alat penukar panas. Untuk mencegah pembentukan kerak dibutuhkan bahan penghambat yaitu inhibitor. Senyawa kaliksarena yaitu senyawa pembaharuan fenol formaldehid yang berbentuk torus yang cocok sebagai dinding mimic enzim karena enzim mempunyai spesifik reaksi katalis dan spesifik substrat. Kaliksarena mempunyai rongga-rongga yang mampu menunjukan sifat kepolaran yaitu polar untuk rongga bagian atas dan non poloar pada rongga bawah. Sifat khas kaliksarena dapat disintesa ukuran rongganya dan gugus fungsinya untuk membentuk kompleks senyawa selektif analit. Struktur dasar kaliksarena terdiri dari pengulangan gugus fenol yang terikat dengan gugus metilen membentuk rongga silindris yang tidak simetris. Bagian rongga silindris yang lebih lebar berada pada bagian atas sedangkan bagian yang menyempit dari sisi hidroksil berada pada bagian bawah. Kaliksarena terbentuk dari 3 unit fenol sampai dengan 20 unit dan sebagian diketahui sebagai kalik[4]arena, kalil[6]arena dan kalik[8]arena. Ukuran rongga kaliksarena masing-masing 3. 0 Ǻ, 7. 6 Ǻ dan 11. 7 Ǻ. Dalam studi ini kaliksarena dimanfaatkan sebagai inhibitor yang dapat membentuk kompleks yang larut dalam air dengan logam [1, 2, 3]. Dalam makalah ini diuraikan secara teoritis mengenai pengaruh Kaliksarena untuk menekan pertumbuhan kerak pada sistem pendingin sekunder RSG-GAS. Tujuan studi adalah mengamati perilaku inhibitor Kaliksarena terhadap pertumbuhan kerak dalam air sistem pendingin sekunder RSG-GAS.
METODOLOGI Metodologi studi dilakukan dengan cara mempelajari struktur kimia dan sifat-sifat kaliksarena dan interaksi inti kristal pembentuk kerak dari logam Ca dan Mg dengan inhibitor kaliksarena.
HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam sistem pendingin sekunder, kerak terbentuk karena unsur kimia yang larut dalam air terlalu jenuh. Dalam keadaan larutan lewat jenuh beberapa molekul akan bergabung membentuk inti
123
kristal. Inti kristal ini akan terlarut bila ukurannya lebih kecil dari ukuran partikel kritis (inti kritis), sementara itu kristal-kristal akan berkembang bila ukurannya lebih besar dari partikel kritis. Apabila ukuran inti kristal menjadi lebih besar dari inti kritis, maka akan mulailah pertumbuhan kristal. Kristalkristal yang telah terbentuk mempunyai muatan ion lebih rendah dan cenderung untuk menggumpal sehingga terbentuklah kerak. Dalam proses pengkompleksan kaliksarena dengan logam-logam berlangsung seperti sistem inang-tamu. Sistem tersebut dapat berlangsung melalui pembentukan kompleks antara kaliksarena sebagai inang dan ion logam sebagai tamu. Pembentukan kompleks tersebut dapat terjadi karena keterlibatan interaksi antara partikel seperti ikatan hidrogen, gaya Van der Waals, ikatan ionik, ikatan koordinasi, dan lain-lain. Perhatian pelaku industri sekarang sedang beralih ke kaliksarena karena sifatsifatnya membentuk kompleks dengan logam alkali, logam alkali tanah, dan logam transisi. Keuntungan pemakaian kompleks kaliksarena karena mampu berfungsi sebagai katalis dalam pembuatan enzim buatan, desain sensor untuk menentukan logam perunut untuk aspek-aspek pengendalian lingkungan. Hal lain yang menyangkut kinerja kompleks kaliksarena adalah membentuk kompleks dengan Cesium yang mewakili logam-logam lantanida dan aktinida dalam manajemen limbah nuklir. Pada gambar 1 ditunjukkan struktur molekul kaliksarena.
Gambar 1. Struktur molekul kaliksarena. Pembentukan kerak dipengaruhi oleh konsentrasi komponen-komponen kerak, pH dan konsentrasi bahan penghambat kerak di dalam air. Pada umumnya komponen pembentukan kerak cenderung mengendap atau menempel sebagai kerak pada temperatur tinggi. Hal ini disebabkan karena kelarutannya menurun dengan naiknya temperatur. Laju pengerakan mulai meningkat pada temperatur air 500C atau lebih dan kadang-kadang masalah kerak terjadi pada temperatur air di atas 600C. Laju pembentukan kerak akan meningkat dengan turunnya laju air sistem. Dalam kondisi tanpa pemakaian inhibitor kerak, pada sistem laju alir air 0, 6 m/detik laju pembentukan kerak hanya seperlima dibanding pada laju alir air 0, 2 m/detik. Kerak terjadi karena unsur kimia yang larut di dalam air terlalu jenuh. Unsur-unsur yang terdapat dalam kerak antara lain :
Buku I Prosiding PPI - PDIPTN Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 14 Juli 2009
124
ISSN 0216 - 3128
Ca, Si, Fe, Zn dan Al. Di dalam sistem air pendingin, kerak adalah suatu penutup yang tebal pada permukaan metal yang sebagian terdiri dari zat-zat organik. Faktor-faktor yang mempengaruhi terbentuknya kerak antara lain : suhu, alkalinitas, dan jumlah zat-zat bahan pembentuk kerak yang terlarut di dalam air. Beberapa kerak yang sering dijumpai pada sistem air pendingin adalah : CaCO3, (Ca2(PO4)2, Zn (PO4)2, Fe2O3, SiO2, CaSiO3, MgSiO3. Proses pengendapan senyawa-senyawa anorganik biasa terjadi pada peralatan-peralatan industri yang melibatkan air garam seperti industri minyak dan gas, proses desalinasi dan ketel serta industri kimia. Hal ini disebabkan karena terdapatnya unsur-unsur anorganik pembentuk kerak seperti logam kalsium dengan jumlah yang melebihi kelarutannya pada keadaan kasetimbangan. Pembentukan endapan seperti CaCO3 dan Mg(OH)2 sesuai dengan reaksi kesetimbangan : CaCO3 → Ca2+ + CO3- ; Ksp = 4, 9 x 10-9 (250C) Mg(OH)2 → Mg2+ + 2OH- ; Ksp = 5. 61 x 10-12 (250C) Endapan CaCO3 terbentuk bila [Ca2+] [CO32-] > Ksp, dan endapan Mg(OH)2 terbentuk bila [Mg2+] [OH-]2 > Ksp. Inhibitor kerak adalah bahan kimia yang menghentikan atau mencegah terbentuknya kerak bila ditambahkan pada konsentrasi yang kecil pada air. Penggunaan bahan kimia ini sangat menarik karena dengan dosis yang sangat rendah dapat mencakupi untuk mencegah kerak dalam periode waktu yang lama. Mekanisme kerja inhibitor kerak yaitu inhibitor kerak teradsorpsi pada permukaan kristal kerak pada saat mulai terbentuk, inhibitor sebagai kristal besar lalu menutupi kristal yang kecil dan menghalangi pertumbuhan selanjutnya. Inhibitor kaliksarena mengandung gugus ß-ketoimino yang mampu membentuk kompleks dengan logam-logam transisi, alkali, alkali tanah, lantanida dan aktinida. Dalam larutan kaliksarena membentuk konformasi cone yang membentuk kompleks dengan logam pada perbandingan 1:1. Tetapi dalam kondisi padat akan membentuk kompleks rantai polimer lurus dengan ikatan interaksi molekuler sesama gugus βUntuk menghitung kebutuhan ketoimin[4]. inhibitor kaliksarena untuk menetralkan pembentukan kristal dihitung dari kelarutan logam-logam Ca dan Mg dalam air. Dari tabel kelarutan garam-garam dan basa-basa dalam air, kelarutan CaCO3 sebesar 1. 3 x 10-3, maka endapan CaCO3 terbentuk karena CaCO3 → Ca2+ + CO3-; [Ca2+] [CO32-] > Ksp; Ksp = 4, 9 x 10-9 (250C).
Itjeu Karliana
Berdasarkan tabel kelarutan garam-garam dan basabasa dalam air bahwa kelarutan CaCO3 sebesar 1. 3 x 10-3, maka endapan CaCO3 terbentuk karena [Ca2+] [CO32-] > Ksp. Dari tabel kelarutan garam-garam dan basa-basa dalam air kelarutan Mg(OH)2 sebesar 1. 0 x 10-3, maka endapan Mg(OH)2 terbentuk karena [Mg2+] [OH-]2 > Ksp. 5. 61 x 10-12 (250C) Mg(OH)2 → Mg2+ + 2OH-; Ksp = 5. 61 x 10-12 (250C) Diketahui masa relatif kaliksarena = 1361,4 ; 1 mol kaliksarena = 1361,4 gram = 1361,4 x 103 mg. Untuk 1 m3 air pendingin sekunder, maka kaliksarena yang dibutuhkan sebanyak : 1361.4 ppm.
KESIMPULAN Inhibitor kaliks[6]arena berdasarkan struktur geometri kimia mampu membentuk kompleks dengan logam-logam alkali, alkali tanah, logam transisi yang larut dalam air sehingga akan menghambat pembentukan endapan yang berpotensi membentuk kerak. Dengan penambahan inhibitor Kaliksarena diharapkan masalah kerak atau endapan dalam sistem pendingin sekunder dapat diketahui dan diatasi sehingga tidak mengurangi efisiensi perpindahan panas pada alat penukar panas.
DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3.
4.
5.
Laporan Analisis Keselamatan Reaktor Serba Guna GA. Siwabessy, 2001. DIYAH ERLINA LESTARI dkk, Kimia Air Reaktor Riset GA. Siwabessy, P2TRR-BATAN, 2004. WANDA SLIWA, MALGORZATA DESKA, Calixarene Complexes With Soft Metal Ion’s, Institute of Chemistry and Environmental Protection, Jan Dlugosz University al. Armii Krajowej 13/15, 42-201 Czestochowa, Poland, ARKIVOC 87-127, 2008. GILLIAN Mc MAHON, SHANE O’MALLEY, KIERAN NOLLAN, Important Calixarene Derivatives-Theirs Synthesis and Applications, National Centre for Sensor research, Dublin City University, Dublin, Ireland, April 2003, gillian. macmahon@dcu. ie KIM HAMILTON, Synthesis, characterization and application of water-soluble chiral calyx[4]arene derivatives in spectroscopy and capillary electrokinetic chromatography, A Ph. D Dissertation, Dept. Chemistry, B. S. , Southern University and A & M College, August 2003.
Buku I Prosiding PPI - PDIPTN Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 14 Juli 2009
