Makaalah Destilasi Uap

PEMISAHAN FLUORIDA DARI LARUTAN URANIL NITRAT DENGAN CARA DISTILASI UAP Noor Yudhi Pusat Pengembangan Teknologi Bahan Bakar Nuklir dan Daur Ulang

ABSTRAK PEMISAHAN FLUORIDA DARI LARUTAN URANIL NITRAT DENGAN CARA DISTILASI UAP. Telah dilakukan pemisahan fluorida dari larutan uranil nitrat dengan cara distilasi uap. Pemisahan fluorida dari larutan uranil nitrat dapat dilakukan dengan cara distilasi uap. Tujuan percobaan ini ialah menentukan effisiensi alat distilasi uap dengan menggunakan prosedur ASTM C 799-83. Larutan uranil nitrat dicampur dengan larutan medium yang mengandung ferro ammonium sulfat, asam sulfamat, asam phospat, dan asam sulfat. Campuran dimasukkan kedalam labu distilasi dan dipanaskan sampai suhu 140 oC Pemisahan fluorida terjadi pada saat suhu 100 s/d 140 oC. Pada suhu 140 oC air sudah teruapkan semua dan yang tertinggal adalah larutan medium yang mengandung uranium, oleh karena itu pada suhu 140 oC distilasi dihentikan (1). Karena ikatan fluorida dan air lebih kuat dibandingkan dengan ikatan fluorida dan asam, maka fluorida akan teruapkan dan mengembun didalam distilat. Distilat yang dihasilkan diatur pH nya berkisar antara pH 7 s/d 8 kemudian dianalisis dengan alat titroprocessor. Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa, pemisahan 100 mikro gram fluorida dengan cara distilasi uap mudah dilakukan pada suhu 140 oC, dengan effisiensi berkisar 96 s/d 98,5 %.. KATA KUNCI : Pemisahan, Fluorida , Distilasi uap.

PENDAHULUAN Uranium dioksida merupakan bahan nuklir yang umum digunakan untuk reaktor daya dan reaktor penelitian. Menurut buku petunjuk pelaksanaan kendali mutu Laboratorium Fabrikasi Bahan Bakar (BBRD), telah memper syaratkan kandungan maksimum fluorida dalam bahan bakar nuklir adalah 10ppm. Pemisahan fluorida di dalam oksida uranium dapat dilakukan dengan dua cara: Pertama uranium oksida dilarutkan dalam asam nitrat, larutan Uranil nitrat yang terbentuk di distilasi uap untuk pemisahan fluorida nya. (1)

Kedua uranium oksida dipanaskan secara langsung pada suhu 9001000 oC dan dialiri uap air yang me ngandung oksigen untuk memisah kan fluorida, cara ini dikenal pemisa han dengan cara pyrohydrolysis. (2) Percobaan ini bertujuan untuk mem peroleh peralatan yang sederhana dan mudah dioperasikan serta mem punyai effisiensi pemisahan fluorida yang tinggi (di dalam serbuk uranium dioksida). Selama ini pemisahan Cl dan F sudah dilakukan dengan alat Pyrohydrolysis bawaan dari pabrik (italia), tapi hasilnya kurang maksimal. Dan hasil pemisahan ti

dak terlihat (bahkan tidak terjadi pemisahan, di cek dengan analysis argento metri) dan alatnya sering mengalami masalah. Hal ini disebab kan karena tidak adanya indikator suhu dalam labu distilasi dan tidak adanya kontrol pemanas pada elemen pemanasnya. Tidak adanya indikator suhu menyebabkan distilasi sulit diamati, dan dengan alat ini sulit mencapai suhu 140 oC. Tidak ada nya kontrol pemanas sering terjadi pemanasan yang berlebihan dan menyebabkan terjadinya ledakan uap air yang menyebabkan alat distilasi terpental dari tabung pemanasnya. Dengan alat Pyrohy drolysis bawaan pabrik ini sulit mengoperasikannya dan pemisahan fluorida sulit diharapkan hasilnya. Untuk memperoleh hasil analisis yang diinginkan, digunakan cara baku yang sudah ada yaitu dengan cara distilasi uap versi ASTM C 79983. Peralatan yang dipakai adalah alat distilasi uap dengan pendingin tegak. Labu distilasi dilengkapi dengan alat termometer yang dapat mengamati suhu medium selama distilasi ber langsung. Pemanas yang digunakan heating mantle yang dilengkapi de ngan kontrol pemanas. Distilat yang dihasilkan dianalisis dengan metode potensiometri dengan elek trode ion fluorida. Dari percobaan ini diharapkan diperoleh pemisahan fluorida yang diinginkan yaitu effisiensi pemisa han yang tinggi dan pengoperasian alat mudah. TEORI Distilasi secara umum adalah merupakan suatu proses pemisahan komponen didalam zat cair pada suhu didihnya. Campuran zat cair yang akan dipisahkan dididihkan dan uap yang terbentuk diembunkan didalam kondenser. Distilasi ada beberapa macam., distilasi biasa,

distilasi dengan reflux dan distilasi dengan uap. Pemisahan komponen dengan disti lasi bergantung pada perbedaan te kanan uap komponen dalam campu ran. Tekanan cairan diukur sebagai kecenderungan molekul dalam per mukaan cairan untuk berubah menjadi uap. Jika suhu cairan dinaik kan , tekanan uap cairan akan naik sampai tekanan uap cairan sama dengan tekanan atmosfir. Pada keadaan ini cairan akan mendidih, suhu pada saat tekanan uap cairan sama dengan tekanan atmosfir dinamakan titik didih. (3) Jika campuran dididihkan, komposisi uap diatas cairan tidak sama dengan komposisi pada cairan, uap akan kaya dengan senyawa yang lebih volatil atau komponen yang mem punyai titik didih lebih rendah. Jika uap didinginkan akan terembunkan dan komposisinya sama dengan komposisi senyawa yang terdapat pada uap. Jika suhu relatif tetap dis tilat akan mengandung senyawa mur ni dari salah satu komponen dalam campuran zat cair. (3) Ada beberapa metode pemisahan fluorida dari serbuk uranium dioksida dian taranya : Pemisahan fluorida dengan cara Pyrohydrolysis Bawaan pabrik (Italia) Pemisahan fluorida dengan cara Distilasi uap (ASTM) Pemisahan fluorida dengan cara Pyrohy drolysis (ASTM) Pemisahan fluorida dengan cara Py rohydrolysis bawaan pabrik (Italia): Alat ini terdiri dari tabung pem bangkit uap, tabung distilasi dengan pemanas uap dan pemanas gliserin yang sudah dipanaskan dengan uap dan pendingin spiral. Cara kerja alat, mula-mula tabung pembangkit uap diisi dengan air dan dipanaskan dengan elemen pemanas yang ada di dalamnya. Uap yang dihasilkan dialirkan ke dalam labu distilasi yang berisi gliserin dan tabung sampel.

Uap ini berfungsi memanaskan gli serin dan larutan sampel yang ada dalam tabung sampel. Karena pe manasan, larutan sampel menguap bersama fluorida dan diembunkan dalam pendingin tegak (bola) dan distilat yang dihasilkan diharapkan mengandung fluorida. Pemisahan fluorida dengan cara Distilasi uap (ASTM): Alat ini terdiri tabung pembangkit uap, labu distilasi yang dilengkapi termome ter, pendingin tegak. Cara kerja alat, mula-mula tabung pem bangkit uap diisi air (300 ml) dipa naskan sampai mendidih kemudian uap dimasukkan ke dalam labu distilasi yang sudah berisi larutan medium dan sampel. Labu distilasi dipanaskan dengan heating mantle pada skala 2. Distilasi dihentikan pada suhu 140 oC, dan distilat yang dihasilkan diharapkan mengandung fluorida dengan effisiensi pemisahan tinggi. (1) Pemisahan fluorida dengan cara Pyrohy drolysis (ASTM): Alat ini terdiri dari erlemeyer yang berisi air, hot plate, udara/oksigen, ta bung gelas (quartz). Tungku pema nas (furnace) 900-1000 oC, tabung polietilen yang berisi larutan buffer. Cara kerja alat: erlemeyer diisi de ngan air dan dialiri udara/oksigen, uranium oksida yang mengandung fluorida dimasukkan tabung gelas tepat di dalam furnace, sampel dipa naskan pada suhu 900-1000 oC dan dialiri oksigen yang mengandung uap air dan hasilnya berupa asam fluorida diserap dengan larutan buffer. (2) METODA ALAT YANG DIGUNAKAN

♦ ♦ ♦ ♦

Satu set alat distilasi uap Satu set alat titroprocessor. Peralatan gelas Pipet apendorf

BAHAN YANG DIGUNAKAN

♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Asam sulfat pekat (96%) Asam phospat pekat (85%) Asam sulfamat Fero ammonium sulfat Uranil nitrat hidrat Kalium hidroksida Asam nitrat Sodium fluorids Asam acetat, kalium acetat

TATA KERJA

Pada percobaan ini dilakukan dua ta hap, yaitu tahap pemisahan fluorida dari larutan uranil nitrat dengan dis tilasi uap dan tahap analisis fluorida dengan titroprocessor. Penentukan pH optimum untuk analysis ; Buat larutan dengan pH 6, 6,5, 7, 7,5, 8 dan 8,5. Masing-masing larutan dianalisis dengan titropro cessor dan catat potensial nya. Dari hasil percobaan ini dapat ditentukan pH optimum untuk ana lisis. Penentuan linieritas dari hasil ana lysis standar: Buat deret standar fluorida dengan konsentrasi 10, 20, 40, 60 dan 80 mikro gram/25 ml, masing-masing larutan dianalisis dengan titropro cessor dan catat potensialnya. Dari hasil percobaan ini dapat dibuat gra fik standar antara potensial larutan (mV) versus konsentrasi fluorida. Dari grafik standar ini dapat diten tukan konsentrasi dari sampel. Pemisahan fluorida dari laru tan UN: 15 ml larutan uranil nitrat yang mengandung 100 mikrogram fluorida masukkan kedalam labu distilasi yang sudah berisi 50 ml larutan medium dan panaskan sampai suhu 140 oC. Distilat yang dihasilkan dianalisis dengan titro processor.

Percobaan dilakukan 7 kali, dari hasil percobaan ini dapat ditentukan effisiensi dari alat distilasi uap. Analisis sampel: 15 ml larutan uranil nitrat yang mengandung 5 gram U masukkan dalam labu distilasi dan panaskan sampai suhu 140 oC. Distilat yang dihasilkan dianalisis dengan titropro cessor dan catat potensialnya. Dari hasil potensial ini plot kan pada grafik standar dan catat hasil kon sentrasinya.

pH pada saat analisis tidak terjadi perubahan potensial didalam larutan. Hal ini dapat mengurangi kesalahan analisis yang disebabkan karena pe rubahan pH larutan. Pada gambar tersebut juga terlihat kurva yang mendatar yaitu pH 7 s/d 8, ini menunjukkan bahwa analisis harus dilakukan pada kurva tersebut (pH 7-8). Pada daerah ini jika terjadi sedikit perubahan pH pada saat analisis, tidak memberikan peruba han potensial yang besar.

Pengaruh konsentrasi F terhadap potensial lart.

Hasil percobaan dapat dilihat pada tabel 1 dan tabel 2, kemudian ditun jukkan pada gambar 1 dan Gambar 2 dan tabel 3.

Potensial larutan, mV

Pengaruh pH larutan pd analisis F

Potensial,mV

HASIL DAN PEMBAHASAN

150 100 50 0 10

250

20

30

40

50

60

70

80

konsentrasi fluorida, mikro gr

200 150 100 50 0 6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

GAMBAR 2 : Pengaruh konsentrasi fluorida terhadap potensial larutan pada penentuan kurva standar

PH larutan

GAMBAR 1 : Pengaruh pH terhadap potensial larutan pada analysis fluorida Pada gambar 1 Pengaruh pH larutan pada analisis fluorida dengan titropro cessor, pada gambar ini terlihat bahwa variasi pH berpengaruh terha dap potensial larutan, hal ini menun jukkan pH sangat berpengaruh ter hadap analisis fluorida dengan meto da potensiometri. Dengan harga pH semakin besar ada kecenderungan potensial larutan semakin menurun. Untuk mengurangi kesalahan dida lam analisis maka perlu dicari kurva yang relatif mendatar, dimana pada kurva tersebut jika terjadi perubahan

Dari gambar 2 , kurva standar pada konsentrasi fluorida 10 s/d 80 mikro gr / 25 ml larutan. Dengan bertam bahnya konsentrasi fluorida dalam larutan maka muatan negatif larutan akan bertambah dan menyebabkan potensial larutan akan menurun. Penurunan potensial larutan ini tidak sebanding dengan bertambahnya konsentrasi fluorida didalam larutan, hal ini menyebabkan penurunan potensial tidak linier. Secara grafis dapat dikatakan bahwa penurunan potensial larutan tersebut sebagai penurunan semi logaritmik. Penuru nan semi logaritmik dapat diartikan bahwa potensial larutan sebagai absis menurun secara logaritmik sedangkan konsentrasi fluorida seba

gai absis bertambah dengan pe nomoran biasa. Dari gambar 2 ini dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi fluorida didalam larutan jika larutan tersebut telah diketahui potensialnya. Dari Tabel 3 Data hasil percobaan dengan 100 mikro gr fluorida, pada percobaan sebanyak7 kali diperoleh effi siensi berkisar 96 s/d 98,5 %, Pada distilasi ini memang sulit diperoleh effisiensi yang stabil jika perlakuan preparasi dan pengo perasian alat antara sampel yang satu dengan lainnya tidak sama, karena sangat dipengaruhi cara preparasi dan cara pengoperasian alat. KESIMPULAN :

Dari hasil percobaan, pemisahan 100 mikro gram fluorida dari larutan uranil nitrat dengan cara distilasi uap dapat disimpulkan : - PH berpengaruh terhadap poten sial larutan oleh karena itu ana lysis dilakukan pada saat kurva mendatar, dimana potensial laru tan tetap walau pun harga pH berubah. Diperoleh pH pengu kuran untuk analisis berkisar 7 s/d 8. - Penurunan potensial larutan tidak sebanding dengan bertambahnya

-

konsentrasi fluorida didalam larutan hal ini menyebabkan penurunan potensial tidak linier. Secara grafis dapat dikatakan bahwa penurunan potensial larutan sebagai penurunan semi logaritmik. Pada distilasi ini memang sulit diperoleh effisiensi pemisahan yang stabil Effisiensi pemisahan berkisar 96 s/d 98,5 %.

DAFTAR PUSTAKA

1. ASTM STANDARD,Designation C799-83, “ Standard Methods for Chemical,Mass Spectrometric, Spectrochemical, Nuclear, and Radiochemical Analysis of Nuclear Grade Uranyl Nitrate Solution”, American National Standard Institute,(1983),p.334335. 2. ASTM STANDARD,Designation C696-80, “ Standard Methods for Chemical,Mass Spectrometric, Spectrochemical, Nuclear, and Radiochemical Analysis of Nuclear Grade Uranium Dioxide Powder”, American National Standard Institute,(1980),p.61-62. 3. Warren L, Mc Cabe, Julian C Smith dan Peter Harriot, “Operasi Teknik Kimia” Jilid 2, edisi ke 4, diterjemahkan oleh Ir.E Jasjfi Msc, Penerbit Erlangga Jakarta.(1989), hal 22.

TABEL 1 : PENGARUH pH TERHADAP POTENSIAL LARUTAN (pada analisis fluorida) No. 1 2 3 4 5 6

pH larutan 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5

Potensial larutan,mV 220 214 186 184 180 119

TABEL 2 : PENGARUH KONSENTRASI FLUORIDA TERHADAP POTENSIAL LARUTAN ( kurva standar ) No. 1 2 3 4 5

Konsentrasi F standart, Potensial larutan, mV mikro gr F/25 ml lart. 10 140 20 117 40 99 60 88 80 80

TABEL 3 : HASIL PERCOBAAN 100 mikro grm F dan SAMPEL 5 grm U No. 1 2 3 4 5 6 1

Potensial larutan, mV Standar 113 112 112 109 111 115 Sampel /5 gram U 112

Volume distilat,ml

Effisiensi, %

Kons F, mikro grm

100 100 100 100 100 100

97 97..5 97..5 98.5 98 96

97 97,5 97,5 98,5 98 96

100

20,.9 ppm

TATA KERJA ♦ PREPARASI BAHAN UNTUK DISTILASI DAN ANALISIS

-

Larutan medium , campuran 0,2 M Ferro ammonium sulfat dengan 0,5 M asam sulfamat dan asam phospat 85% dan asam sulfat 96% dengan perbandingan 1:2:5

-

Larutan bufer 0,001 N, dilarutkan 0,1 g kalium acetat dan 0,05 ml asam acetat dalam 1 liter air.

-

Larutan standar fluorida 1000 ppm, timbang 0,22 g sodium fluorida dilarutkan dalam 100 ml air.

PENGARUH pH TERHADAP

POTENSIAL LARUTAN PADA ANALISIS

FLUORIDA

-

Membuat larutan dengan pH 6, 6.5, 7, 7.5, dan 8, dengan cara menambahkan KOH atau HNO3 kedalam aquadest.

-

Kemudian masing-masing larutan dianalisis dengan metoda titroprocessor dengan elektroda ion fluorida dan catat potensialnya.

-

Dibuat grafik potensial larutan versus pH larutan, dari data ini diperolah pH optimum untuk analisis.( pH optimum 7,5)

•

PENGARUH KONSENTRASI FLUORIDA TERHADAP POTENSIAL LARUTAN PADA PENENTUAN KURVA STANDAR.

-

Membuat larutan dengan pH 7,5 sebanyak 200 ml.(lart induk)

-

Dari larutan induk dibuat larutan fluorida dengan konsentrasi 10, 20, 40, 60, dan 80 mikrogram /25 ml.

-

Masing-masing larutan dianalisis dengan titroprocessor dengan elektroda ion fluorida dan catat potensialnya.

•

Dibuat grafik potensial larutan versus konsentrasi fluorida.

MENCARI EFFISIENSI ALAT DISTILASI UAP

-

Masukkan 300 ml aquadest kedalam tabung pembangkit uap dan panaskan sampai mendidih.

-

Masukkan 50 ml larutan medium kedalam labu distilasi dan tambahkan 15 ml lart UN dengan konsentrasi 1 gr/15 ml tambahkan 100 mikrogram F.

-

Masukkan uap kedalam labu distilasi dan panaskan sampai suhu 140 oC dan matikan.

-

Ulangi pekerjaan diatas sebanyak 7 kali dan hitung effisiensinya..

ABSTRACT SEPARATION OF FLUORIDE FROM URANYL NITRATE SOLUTION BY STEAM DISTILLATION METHOD. The separation of fluoride from uranyl nitrate solution by steam distillation method has been experimented. The separation fluoride from uranyl nitrate solution can be conducted by steam distillation method. The purpose of this experiment is to determine the efficiency of the steam distillation apparatus by using the ASTM C 799-83 procedure. Uranyl nitrate solution is mixed with a medium solution containing ferrous ammonium sulfate, sulfamic acid, sulfuric acid, and phosphoric acid. The mixture is put in a distillation flask and is heated up to 140 Fluoride separation happens at the temperature between 100 and 140

o

o

C.

C. The steam

distillation process is terminated when the temperature reaches 140 o C. At this condition, all water has been vaporized. The left over is the medium solution that contains uranium. The fluoride gets vaporized along with water because the bonding between fluoride and water is stronger than the bonding between fluoride and acid. The fluoride would be distilled together with water. The distilled product is then analyzed with a titroprocessor. The analisis is sensitive to the acidity. The pH is value is between seven and eight. From the result of the experiment, it can be concluded that separation of 100 micrograms of fluoride using the steam distillation method is easy conducted at the temperature of 140 C with an efficiency of 96 to 98.5 %.

o

Key word : Separation, fluoride (ppm), steam distillation.

Dua per syaratan utama yang harus dimiliki oleh bahan bakar adalah : Pertama, bahan ba kar tidak boleh mencapai titik lelehnya dan kedua, tidak ada hasil fisi yang dilepaskan kependingin (coolant). Adanya kelebihan fluorida di dalam pelet uranium dioksida dapat menyebab kan keretakan pada kelongsong akibat terjadinya peristiwa korosi pada ke longsong.

PEMISAHAN FLUORIDA DI DALAM LART. MEDIUM YANG MENGANDUNG URANIUM SECARA DISTILASI UAP LATAR BELAKANG :

KARENA PERSARATAN BAHAN BAKAR URANIUM HARUS MENGANDUNG FLUORIDA DIBAWAH 10 ppm OLEH KARENA ITU PERLU ADANYA PROSEDUR YANG BAKU UNTUK PEMISAHAN DAN ANALISISNYA TUJUAN PERCOBAAN : ♦ MEMPEROLEH HASIL YANG DIINGINKAN, EFFISIENSI PEMISAHAN TINGGI DAN PERALATAN MUDAH DIOPERASIKAN. ♦

MEMILIH PERALATAN YANG COCOK UNTUK PEMISAHAN FLORIDA DARI SERBUK URANIUM. PADA SAAT INI DIKENAL 3 MACAM ALAT, YAITU DISTILASI UAP (ASTM), PYROHYDROLYSIS (ASTM DAN VERSI ITALIA)

♦ MENDAPATKAN PROSEDUR YANG BAKU DAN MUDAH DILAKUKAN.

HIPOTESA : SELAMA INI PEMISAHAN FLUORIDA SUDAH DILAKUKAN MENGGUNAKAN ALAT PYROHYDROLYSIS VERSI ITALIA TAPI HASILNYA BELUM MAKSIMAL. UNTUK MEMPEROLEH HASIL YANG DIINGINKAN DIGUNAKAN ALAT DISTILASI UAP (ASTM) DAN DIHARAPKAN DENGAN ALAT INI DIPEROLEH EFFISIENSI PEMISAHAN TINGGI DAN ALAT MUDAH MENGOPERASIKANNYA. METODA: METODA UNTUK PEMISAHAN ADALAH DISTILASI UAP, SAMPEL DIGUNAKAN 100 MIKROGRAM Cl DAN PERCOBAAN DILAKUKAN 7 KALI PADA SUHU 140 oC METODA UNTUK ANALYSIS ADALAH POTENSIOMETRI DENGAN ELEKTRODE ION. KONSENTRASI 10,20, 40, 60 DAN 80 MIKROGRAM F/25 LART. DAN pH UNTUK ANALYSIS 7-8

HASIL DAN BAHASAN

Gambar I : Pengaruh pH larutan pada analysis fluorida

Potensial,mV

Kurva standar 150 100 50 0 10

20

30

40

50

60

70

konsentrasi fluorida, mikro gr

Gambar 2 : Kurva standar

80

DARI TABEL 3, PADA PERCOBAAN INI DIPEROLEH EFFISIENSI BERKISAR 80 S/D 98,5% ,HASIL INI BERFLUKTUASI, KARENA EFFISIENSI DISTILASI SANGAT DIPENGARUHI SUHU,WAKTU DAN LAIN LAIN. KESIMPULAN : ♦ ♦ ♦ ♦

DARI PERCOBAAN DIPEROLEH pH PENGUKURAN 7-8 KURVA STANDAR BERBENTUK LOGARITMIK EFFISIENSI PEMISAHAN BERKISAR 80 – 98,5 %, DALAM PERCOBAAN INI MASIH BANYAK KEKURANGAN DIANTARANYA UNTUK PEMISAHAN DIBAWAH 50 MIKRO GRAM F DAN EFFISIENSI PEMISAHAN MASIH BERFLUKTUASI.