PENDAHULUAN

Elemen bakar nuklir, yaitu mengandung bahan fisil diantaranya adalah isotop U-235 yang mana setelah diiradiasi akan mengalami reaksi fisi dimana U-235 mengurai menjadi isotop-isotop yang lebih ringan seperti Sr-90, Cs-134, Cs-137, Ba-140, Ce-144 dan sebagainya, disertai pelepasan energi dan partikel n yang dapat menghasilkan reaksi fisi selanjutnya. Secara umum reaksi fisi itu dapat dituliskan sebagai berikut:

\[238_{\text{U}} + 1_{\text{n}} \longrightarrow (90\text{-}144) \text{ X} + 2 \text{ n} + \text{E}\] \[92 \quad 0 \qquad (36\text{-}56)\]

X adalah jenis isotop yang pada umumnya mempunyai nomor atom diantara 36 sampai dengan 56, dan nomor massa dari 90 sampai dengan 144. Isotop-isotop tersebut dapat memancarkan sinar α, atau β ataupun γ, serta dapat dikelompokkan sebagai isotop berumur pendek (dalam orde detik, menit, iam maupun hari). berumur sedang (dalam orde puluhan hari atau bulan) dan yang berumur panjang (dalam orde lebih besar daripada 1 tahun). Unsur-unsur yang diteliti pada percobaan ini diambil ienis unsur vang mempunyai isotop radioaktif pemancar-γ, dan berumur panjang, mengingat kepentingannya untuk mengungkung efek radiasi dari limbah larutan elemen bakar bekas (vang telah mengalami iradiasi tersebut). Ünsur-unsur tersebut diantaranya adalah Cs, Sr, Ba dan Ce yang mempunyai isotop pemancar-γ dan berumur sedang/panjang, dengan hasil fisi yang relatif lebih tinggi daripada isotopisotop hasil fisi lainnya.^[1] Pada Tabel-1 terlampir ditunjukkan data-data ion dan jenis isotop terkait dengan hasil fisi U-235.

Zeolit Lampung terdiri dari 72% campuran mordenit dan klinoptilolit, lainnya adalah kwarsa, serisit, lempung dan gelas volkanik. Data ini didapat dari pemeriksaan awal dengan menggunakan polarisasi mikroskop optik. Penentuan komposisi jenis zeolit tidak diamati lebih lanjut pada percobaan ini. Namun yang diutamakan di sini adalah untuk mengetahui kemampuannya sebagai penukar kation.

Pada umumnya zeolit murni misalnya mordenit, mempunyai KTK 2,17 meq.g^-1

sedangkan KTK klinoptilolit adalah 2,92 meq.g^-1. Bilamana zeolit alam itu tidak murni, yaitu hanya mengandung 72%, maka daya tukar zeolite tersebut tentu saja menurun. Pada penelitian ini digunakan bahan alam tanpa pemurnian, dan dengan mengoreksi komposisi bahan-bahan pengotornya yang berjumlah 28% yang terdiri dari kwarsa, lempung, gips dsb, komposisi atau unit sel struktur zeolit dapat ditentukan.^[2]

Proses penukaran kation dalam zeolit, dapat mencapai keadaan setimbang pada kondisi kapasitas penukaran kation yang maksimum sesuai dengan persamaan reaksi sebagai berikut:

\[n M^{m+}_{Z} + m A^{n+} \longrightarrow m A^{n+}_{Z} + n M^{m+}\] (1)

n dan m masing-masing adalah muatan kation A dan kation M, dimana ion M adalah ion yang terdapat dalam zeolit Z. Pada kesetimbangan, konstanta kesetimbangan proses pertukaran kation adalah K, yaitu:

\[K = \frac{{{{\left[ A \right]}^m}zeo.}\left[ {M} \right]^n larutan}{{{\left[ M \right]}^n}zeo\left[ {A} \right]^m larutan} \\ \text{atau} = \frac{{{A_z}.{M_s}}}{{{M_z}.{A_s}}}\]

jika n=m (2)

z dan s masing-masing menunjukkan fasa zeolit dan fasa solution (larutan). Dalam keadaan padat dan ideal, zeolit dihipotesakan tidak memiliki kecenderungan untuk mengikat kation A maupun kation M, sehingga aktifitas ion A (a_A) sama dengan aktifitas ion M (a_M) atau nilai a_A/a_M adalah 1, dan itu berarti bahwa zeolit tidak selektif.^[3] Keaktifan ion, dapat ditulis sebagai \(a = \gamma\). C, dimana \(\gamma\) adalah koefisien keaktifan ion, dan C adalah konsentrasi ion dalam molal (jumlah mole/1kg). Sedangkan keselektifan zeolit yaitu K_S dapat dirumuskan sebagai berikut:^[3,4]

Untuk proses penukaran uni-univalent.

\[K_{S} = \frac{A_{Z}M_{S}\gamma_{MCI}^{2}}{M_{Z}A_{S}\gamma_{ACI}^{2}}\](3)

Untuk proses penukaran uni-divalent.

atau \[K_S = \frac{A M^2 \gamma^4}{Z S MC^{12}N}\] (4)

N = total kenormalan larutan kation A dan M dalam keadaan kesetimbangan.

\(A_Z\) dan \(A_S\) = fraksi ekivalen dari kation A di dalam zeolit dan di dalam larutan.

\(M_Z\) dan \(M_S\) = fraksi ekivalen dari kation M di dalam zeolit dan di dalam larutan.

Pada campuran yang iso normal, \(A_Z + M_Z = 1\) atau \(A_S + M_S = 1\). Untuk mengetahui keselektifan zeolit nilai \(K_S\) pada \(A_Z = 0.5\) atau \(K_{0.5}\) digunakan sebagai tolok ukuran. Bila nilai \(K_{0.5} \leq 1\), berarti zeolit itu tidak selektif terhadap ion tersebut. Diduga bahwa keselektifan zeolit terhadap kation Cs akan berkurang dengan adanya kation tandingan seperti Sr, Ba dan Ce.

METODA

Pengukuran keselektifan zeolit berdasarkan prinsip kesetimbangan pada proses penukaran-kation yang terdapat di dalam larutan dengan kation sejenis yang ada di dalam zeolit.

Bahan dan Alat:

Zeolit vang digunakan adalah ZKK atau zeolite lampung, sedangkan kation yang digunakan untuk menguji keselektifan zeolit tersebut adalah Cs, Sr, Ba yang diperoleh dari larutan garam khlorida standar 0,1 N dan Ce dari Ce(NO₃)₄ 0.05 N dan larutan kation matrik yang ada dalam zeolit yaitu K dan Na dalam bentuk larutan khlorida 0,1 N untuk mempertahankan komposisi larutan yang isonormal. Alat pengocok (shaker) elektrik digunakan untuk melalukan proses penukaran kation cara statis, sedangkan pemisahan larutan dari campuran zeolitnya menggunakan alat sentrifuse. Konsentrasi kation yang terdapat di dalam zeolit dan dalam larutannya masing-masing dianalisis/ditentukan dengan alat XRF dan ICPS.

Tata kerja:

Larutan isonormal 0,1 N dibuat dari masingmasing kation serta campurannya kecuali ion Ce menggunakan konsentrasi encer yaitu 0,05 N. Larutan disiapkan sesuai dengan rancangan percobaan sebagai berikut:

• 1. Campuran Na⁺ dengan masing-masing ion Cs⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ dan Ce⁴⁺ dengan berbagai perbandingan volume yaitu 0:10, 1:9, 3:7, 5:5, 7: 3, dan 9:1 ml.
• 0:10, 1:9, 3:7, 5:5, 7: 3, dan 9:1 ml. 2. Campuran K⁺ dengan masing-masing ion Cs⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ dan Ce⁴⁺ dengan

• berbagai perbandingan volume yaitu 0:10, 1:9, 3:7, 5:5, 7: 3, dan 9:1 ml.
• 3. Campuran Na⁺ dan K isonormal (0,1N) dengan masing-masing ion Cs⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ isonormal (0,1 N) kecuali dengan Ce⁴⁺isonormalnya 0,05N dengan berbagai perbandingan volume yaitu 0:10, 1:9, 3:7, 5:5, 7: 3, dan 9:1 ml.
• 4. Campuran Na⁺ dan K isonormal (0,1N) dengan larutan campuran Cs⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ isonormal (0,1 N) dengan perbandingan volume yaitu 0:10, 1:9, 3:7, 5:5, 7: 3, dan 9:1 ml.

Setiap 1 gram zeolit dicampurkan dengan masing-masing 10 ml larutan yang sudah disiapkan tersebut di atas, dan dilakukan proses penukaran secara statis (batchexchange) selama 8 jam, menggunakan pemutar (shaker), kemudian disentrifuse dan endapan dipisahkan dari larutannya. Masing-masing endapan dan dianalisis komposisi larutan konsentrasinya. Endapan dikeringkan pada 353 K dan dianalisis dengan XRF, sedangkan supernatannya diencerkan secara tepat hingga konsentrasinya kirakira mendekati orde ppm untuk dianalisis dengan alat ICP-AES.

Konsentrasi unsur di dalam zeolit dan dalam larutannya setelah mencapai kesetimbangan, dapat diketahui. Fraksi ekivalen kation dalam zeolit di plot terhadap nilai fraksi kation tersebut di dalam larutan. \(K_{\rm S}\) atau koefisien keselektifan dapat diketahui, dan \(K_{\rm S}\) pada Az=0,5 dapat dihitung.

HASIL DAN BAHASAN

analisis zeolit awal dengan Hasil karakteristik daya penukaran kationnya ditunjukkan pada Tabel 2. Daya tukar effektif (%) dihitung dari Kapasitas Tukar Kation (KTK) yang terukur dibandingkan dengan KTK teoritis (=2.29 meg.g^-1). Komposisi per unit sel Zeolit Lampung (=Z) adalah Na₆K₂[Al₈Si₄₀O₉₆] 24H₂O dengan nilai KTK terhadap Amonium (bentuk asetat, sesuai dengan cara standar untuk penentuan \((KTK)^{[6]}\) adalah 1,36± 0,06 meq.g^-1. Dalam kaitannya dengan pengungkungan radiasi dari limbah larutan radioaktif, ion Cs memegang peranan penting mempunyai waktu paruh yang panjang dan iuga pemancar radiasi-γ (dari anak luruhnya. ¹³⁷Ba). Peneliti lain memperoleh nilai Cs-

Journal of Indonesia Zeolites

Tabel 1. Data ukuran ion dan jenis isotop hasil fisi ²³⁵U

Tabel 2. Komposisi dan kapasitas tukar-kation zeolit

Tabel 3. Nilai Koefisien Keselektifan (K_0.5) Zeolit Lampung

uptake oleh zeolit Lampung adalah 1,1 meq.g^-1.^[7] Pada penelitian ini diperoleh nilai Cs-uptake adalah 1,21 meq.g^-1. Perbedaan hasil analisis yang sekitar 10% itu masih dalam batas kewajaran. Namun demikian kiranya penting dilakukan uji profisiensi khususnya untuk mineral zeolit.

Kurva keselektifan zeolit lampung terhadap kation-kation tertentu ditunjukkan pada Gambar 1 sampai dengan Gambar 4. Pertukaran kation mono-kation yaitu Na/Cs, Na/Sr, Na/Ba dan Na/Ce dapat dilihat pada Gambar 1. Nilai koefisien keselektifan zeolit pada Az = 0.5 untuk masing-masing kation ditunjukkan pada Tabel 3. Pertukaran kation K/Cs, K/Sr, K/Ba dan K/Ce ditunjukkan pada Gambar 2, sedangkan Gambar 3 menunjukkan keselektifan zeolit dalam pertukaran ion Na dengan campuran ion Cs, Sr. Ba dan Ce, dimana keselektifan zeolit terhadap masing-masing ion tersebut ditandingkan.

Baik kation matrik na maupun K dalam zeolite, menujukkan pertukaran yang cukup selektif terhadap kation M (Cs, Sr, Ba dan Ce).

Keselektifan zeolit terhadap ion Cs lebih tinggi daripada terhadap ion Ba ataupun Sr dan Ce. Namun zeolit dalam bentuk Na, lebih sempurna melakukan proses pertukaran ion-ion tersebut. Hal ini dibuktikan dengan tidak adanya lagi kation Na dalam zeolit setelah proses pertukaran berlangsung. Hal itu juga dapat dilihat dari nilai K_0.5 pada sistim pertukaran ion K-Z/M yang relatif lebih rendah daripada nilai K_0.5 pada sistim pertukaran ion Na-Z/M (lihat Tabel 3).

Gambar 4 menuniukkan keselektifan zeolit dalam pertukaran-biner kation (Na+K)/M, dimana M adalah campuran kation Cs, Sr, Ba dan Ce. Masing-masing kation dalam zeolit diamati ekivalennya. Ternyata ada penurunan yang diakibatkan oleh adanya pertandingan proses pertukaran kation. Namun penurunan tersebut tidak signifikan pada pertukaran dengan kation Cs, kecuali pada ion Ba, Sr dan Ce. Jadi dugaan bahwa adanya kation tandingan dapat menurunkan keselektifan zeolit terhadap penverapan kation Cs tidak terbukti. Melainkan, dapat dikatakan bahwa sistim pertukaran kation pada zeolit tersebut adalah spesifik untuk jenis-jenis kation tertentu

Gambar 1. Kurva keselektifan zeolit lampung terhadap ion Cs, Sr, Ba dan Ce dalam sistim pertukaran dengan ion Na

Gambar 2. Kurva keselektifan zeolit lampung terhadap ion Cs, Sr, Ba dan Ce dalam sistim pertukaran dengan ion K.

Gambar 3. Kurva keselektifan zeolit lampung terhadap campuran ion Cs, Sr, Ba dan Ce dalam sistim pertukaran dengan ion Na

Gambar 4. Kurva keselektifan zeolit lampung terhadap campuran ion Cs, Sr, Ba dan Ce dalam sistim pertukaran dengan campuran ion Na dan K.

KESIMPULAN

Zeolit Lampung merupakan penyerap yang cukup baik untuk ion Cs. Keselektifannya terhadap Cs>Ba=Sr>Ce. Dalam campuran ion-ion matrik hasil fisi, keselektifan zeolit terhadap kation tersebut menurun, namun penurunan keselektifan tersebut tidak signifikan untuk ion Cs, kecuali pada proses penukaran dengan ion Ba, Sr dan Ce. Zeolit dalam bentuk Na-Z lebih sempurna digunakan untuk penukar-kation baik Cs, Ba, Sr maupun Ce dibandingkan dalam bentuk K-Zeolit. Proses penukaran kation di dalam zeolit adalah spesifik.

UCAPAN TERIMAKASIH

Kami sampaikan terima kasih khususnya kepada semua pihak yang telah memberikan fasilitas terutama kepada Ka. BTDUPI, seluruh rekan-rekan di bidang/bagian P2TBDU-BATAN yang memberikan fasilitas pengerjaan penelitian dan PT. Minatama yang telah mensuplai zeolit, juga kepada rekan-rekan yang telah bekerjasama dalam menganalisis dengan alat ICPS dan XRF.

DAFTAR PUSTAKA

• 1. IAEA, Determination of Research Reactor Fuel Burnup, IAEA-TECDOC-633, (1992) 55-68.
• 2. S. Amini, Upaya Peningkatan Manfaat Zeolit Sebagai Penukar Ion, Seminar Zeolit-II, Ikatan Zeolit Indonesia –

50%HDTMA

Journal of Indonesia Zeolites

• Cabang Jawa Barat, Bandung, 21 Agustus 2001.
• 3. R. Harjula, Ion Exchange and Hydrolysis Reactions in Zeolites, Academic Dissertation, University of Helsinki, Finland, Report Series in Radiochemistry 8/1993.
• 4. Rees L.V.C., in The Properties and Application of zeolites, TOWNSEND. R.P. (Ed)., The Chem. Soc. Pub., London, No. 33 (1980)218-243.
• 5. Fletcher. P., Townsend. R. P., J. chem.. Soc. Farad. Trans. II, 77 (1981) 2077.
• 6. Bain, D.C., Smith, B.F.L., in A Handbook of Determinative Methods in Clay Mineralogy, M.J. WILSON (Ed.), Backie & Son Ltd., Glassgow, UK (1987) 258- 262.
• 7. Setiawan, Penyerapan Radionuklida Cesium-134 oleh Beberapa Jenis Mineral Zeolit Alam, Seminar IZI-2, Bandung 21 Agustus (2001).
• 8. J. Emsley, The Elements, 2nd-ed, Clarendon Press, Oxford (1991)251pp