DEKOMPOSISI THERMAL GEL UO3

Hidayati, Nurwijayadi, Bangun WasitoP3TM-BATAN. JI. Babarsari Kotak Pos fO08. YogyakartaBambang Sugeng, Evi HertivianaPusat Penelitian dan Pengembangan Jptek Bahan -BA TAN -Serpong

ABSTRAK

Telah dipelajari kelakuan dekomposisi tem1al daTi bola-bola mikro gel UO3. Analisis tem1almeliputi OTA dan TG serta penjelasan analisis dengan XRO. Bola-bola mikro gel UO3 disiapkandaTi larutan uranH nitrat yang direaksikan dengan urea + HMTA kemudian diteteskan ke dalamkolom yang berisi media parafin pada suhu 95'C. Mikrobutir gel UO3 yang diperoleh dicucidengan NH40H kemudian dikeringkan. HasH pengeringan diambH sampel untuk dianalisiskelakuan tem1alnya dengan Blat STA (Simultaneous Them1al Analyzer) sampai suhu 70d'C.serta penyiapan sampel untuk analisis XRO dengan pemanasan pada suhu 20d', 40d', 50d'dan 60ifc. HasHnya menunjukkan bahwa dekomposisi tem1al mikrobutir gel UO3 meliputi 5tahap. Tahap pertama dan kedua merupakan reaksi endotem1is hHangnya air yang menempel /terikat secara fisika mulai suhu 10d'C maupun air kristal yang terikat secara kimia. Tahapketiga dan ke empat merupakan reaksi eksotem1is hHangnya amonia dan step terakhirmerupakan reaksi eksotem1is perubahan senyawa daTi UO3.xNH3 menjadi U30S. HasH daTi polsdifraksi sinar-x yang diperoleh menunjukkan bahwa senyawa gel UO3 yang telah dipanaskai1pada suhu 60d'C telah memberikan indikasi terbentuknya senyawa U30S, sehingga suhuminimum kalsinasi adalah 60d'C.

ABSTRACT

Thennal Decomposition of Gelled UO3. The thennal decomposition behavior of gelled UO3microspheres have been studied. The thennal analysis included DTA and TG with XRD analysisexamination. The gelled were prepared by reacting uranyl nitrate with urea + HMT A, thendropped into a column containing paraffin oil at temperature of 9S<>C. The obtained gel werewashed using NH40H and then dried. There were analyzed their thennal behavior using STA(Simultaneous Thennal Analyzer) up to 70d'C and were prepared for XRD analysis by heatingat 20d'c, 40d'C, 5Od'C and 60d'C. The results showed that thennal decomposition of gelledUO3 microsphere consisted of five steps. The first and second steps were endothennic reactionof the removal of the physics absorbed water started at 10d'C, and the removal of chemicallybounded water. The third and fourth steps were exothennic reactions of the ammonia removaland the last steps was exothennic reaction of change of compound UO3.xNH3 to U30S. TheXRD patterns showed that compound of gelled UO3, which had been heated at 60d'C give anindication the fonn of U30S compound, so that the minimum temperature of calcination was

60d'c.

Pembuatan kernel UO2 bisa dilakukanmelalui proses kimia basah maupun kerillg.Keuntungan proses melalui metode kimia" basah,yaitu hasilnya tidak poros dan lebih homogen. Adabeberapa metode kimia basah yang bisa dilakukanyang masing-masing berbeda antara yang satudengan yang lain. Proses tersebut dinamakan proses

sol-gel.

PENDAHULUAN

S alah satu kelebihan bahan bakar partikel berlapisuntuk penggunaan reaktor suhu tinggi adalah

kemampuan partikel untuk menampung hasil fisiselama operasi reaktor. Inti partikel berlapis disebutkernel yang dapat berupa UO2, campuran (Th~U)O2,PUO2 atau campuran UO2 dan UC. Selama operasireaktor, hasil fisi tertampung dengan kuat dalampartikel karena kernel dilapisi dengan lapisanSilikon Carbida (SiC) clan Pirokarbon (PyC) yangmempunyai densitas dan kekerasan yang tinggi.

Pad a penelitian ini pembuatan kernel UOzdilakukan dengan metode gelasi internal. Prosesyang dilakukan adalah modifikasi dari prosesKEMA dan HKF A, seperti yang telah dilakukanoleh peneliti terdahulu, dengan diagram alir seperti

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar llmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

Hidayati, dkk ISSN 0216-3128 277

.pa., Kalium bikromat titrisol, Urea, pa., HMT A, pa.,Minyak parafin, Asam amido solfonat, pa. clanABM.

Peralatan yang digunakan '0

Seperangkat alat untuk pembuatan gel(kolom gelasi yang dilengkapi dengan komporlistrik, termostat, penampung umpan dan pompaudara), peralatan gelas, kompor listrik, tungkupengering, tungku kalsinasi, seperangkat alat ST A,dan seperangkat alat XRD (X- Ray Difractometer)

pada gambar 1. Seperti pada diagram alir tersebut,larutan uranil nitrat yang telah dicampur denganurea dan HMTA pad a suhu O°C didispersikan kedalam kolom yang berisi minyak parafin 95°C dandipadatkan dengan reaksi pengendapan secarakimia. Partikel gel tersebut kemudian diprosesmenjadi mikrobutir keramik sesuai dengan yangdikehendaki terutama dengan perlakuan termal.

Untuk memperoleh basil kernel yang baikdengan densitas tinggi, pengendapan harus selalumenjadi gel yang baik. Struktur gel! mikrobutirpartikel barns dijaga selama pengeringan melaluipenyusutan yang seragam. Oleh karena itupengeringan harus dilakukan secara bertahap.Akumulasi uap dan pemanasan yang mendadakselama proses pengeringan barns dihindari karenadapat merusak butiran. Partikel gel yang telahdiperoleh dari pengeringan kemudian dikalsinasi,direduksi clan disinter untuk memperoleh kernelUO2 yang mempunyai densitas tinggi.

Pada proses kalsinasi, terjadi reaksidekomposisi partikel gel UO] menjadi U]O.. Untukmemastikan suhu kalsinasinya, pada penelitian inigel UO3 diamati kelakuan termalnya dengan alatST A (Stimulaneous Thermal Analizer). Pemanasandilakukan sampai suhu 700°C. Hasilnya digunakansebagai pedoman untuk menetapkan suhu kalsinasi.

Lar. Uranll nltrat, Urea

~

!I]~~£~J ~ N H4 0 H

I peng~inga;{ I

I Kalstasil

~¥!I::J[~~~~kernel UO2

Gambar 1. Diagram alir proses sol.gel

Prosedur percobaan

1. Dibuat larutan umpan untuk gelasi internal:a. U3Oa dilarutkan dalam HN03 5,6 N pacta

suhu 80°C sehingga diperoleh larutan uranilnitrat.

b. Larutan uranil nitrat hasil pelarutan diuapkansampai hampir kering berkali- kali kemudianditambah ABM hingga larutan mempunyaikonsentrasi uranium sekitar 2,2 M dankeasaman sekitar I,ON.

c. Larutan ditambah urea dengan perbandinganmol urea I U = 2,2

d. Larutan didinginkan pada suhu O°C kemudianditambah HMT A dengan perbandingan molHMTAI U = 2,3.

e. Pembuatan gel U03 dilakukan 'denganIttcltclcsknlt Ilmpnlt gcln~i ynltg dipcrolch dnrino. I ke dalam kolom yang berisi minyakparafin pada suhu 95°C.

f. Gel yang diperoleh direndam dalam NH4OH2,5 N selama > 12 jam kemudian dicucidengan cairan serupa sebanyak 5 kali.

g. Gel tersebut kemudian dikeringkan secarabertahap yaitu pad a suhu 50°, 70° kemudianpada suhu 100°C.

h. Gel basil pengeringan dianalisis sifattermalnya dengan alat ST A sampai suhu700°C dengan kecepatan pemanasan 10°C permenit.

i. Untuk melihat perkiraan struktur yang terjadiselama pemanasan, gel basil pengeringansebagian dipanasi pacta suhu 200°, 300°, 400°,500° dan 600°C.

j. Gel basil pemanasan tersebut dianalisisstrukturnya dengan alat XRD.

k. Pengamatan pola difraksi pacta sudut dua tetaantara 10° -70° dengan kecepatan sudut 4°per men it.TATA KERJA

HASIL DAN PEMBAHASANBahan kimia yang diperlukan

Larutan uranil nitrat, Asam nitrat pekat,pa., Asam sulfat pekat, pa., Asam fosfat pekat, pa.,Natrium hodroksida titrisol, Amonium hidroksida,

Hasil gel va) yang diperoleh dari kolomgelasi berwarna jingga transparan, setelah melalui

Prosiding Periemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakaria, 25 -26 Juli 2000

Untuk meyakinkan terjadinya perubahan

senyawa tersebut, pada tiap tahap pemanasansampel dianalisis dengan XRD. Pemanasan

dilakukan pada suhu 200°, 400°, 500° dan 600°C.Hasil analisis sampel dengan alat XRD pad~ setiap

tahap pemanasan ditampilkan pada gambar 3.Adapun data intensitas pada sudut dua teta pad apemanasan 200°C seperti pad a tabel 1 dan gambar 3di bawah ini :

Tabcll. Data intensitas, dhkl dan FWHM pada tiap

sudut 20 dari pola difraksi sam pel ua3yang telah dipanaskan pada suhu 200°C.

a

perlakuan perendaman, pencucian dan pengeringanberubah warnanya menjadi agak kuning dan agakburam. Proses selanjutnya untuk memperoleh kernelUOz adalah kalsinasi, reduksi, dan sintering.

Untuk menetapkan suhu kalsinasinya, gelUO3 dianalisis sifat termalnya dengan alat ST A.Dengan alat ST A dapat diketahui hubungan an taraperubahan suhu dengan perubahan senyawa yangdiikuti oleh perubahan beratnya, seperti yangditunjukkan dalam gambar 2 sbb. :, '.'-': .'_'.'_-~_.",~..'. ..-':".,'...=T' '" ..or., ".. ~,.:":.. to".i ,., ""-'.- .,

".'" .."." ..e ...v .,"'.' ..,.,~ ...~ -' "'\. ~ " '.~' \'\ I -~ .'-:.' 'I .,r '...'" ..\ iI \ "I_,., ' "" ,--.'I .~-. ,

"\'.~.:::. ..' """"' :_.~..,.~." .:

"-,,"" """--~.'-~ !"",,".r..., "....:, ..: ...M' :.. ,j, " .., T'" ." »0: .,. .....'.'.- '. 0-.' ..~ '--~' ..-

Gambar 2. Hubungan antara perubahan panas danperubahan berat yang terjadi padapemanasan gel va;.

Dari gambar 2 tersebut terlihat bahwa acta 5perubahan panas yang terjadi diikuti oleh perubahanberatnya (a, b, c, d dan e). Dua puncak yang pertama(a dan b) menunjukkan reaksi endotermis dan 3puncak yang lain (c, d dan e) menunjukkan reaksieksotermis. Reaksi endotermis pacta puncak yangpertama adalah merupakan indikasi hilangnya airyang menempel/terikat secara fisika yaitu pacta suhumulai 100°C dengan puncak pacta suhu 173,37°Cdan entalpi sebesar -28,45 ~voltdetik/mg. Adapunpuncak kedua adalah reaksi endotermis hilangnyaair kristal yang terikat secara ikatan kimia denganpuncak pacta suhu 219,87°C dengan penurunan berat9,583 % dan entalpi sebesar -49,808 ~voltdetik/mg.Reaksi eksotermis pacta perubahan panas yang ketiga dan ke empat merupakan indikasi hilangnyaNH3 (c dan d) dengan suhu puncak pacta 302,07°Cdan 419,87°C serta entalpi sebesar105,16111voltdetik/mg dan 31,904 ~voltdetik/mg.Adapun puncak yang terakhir dengan suhu puncakpacta 535,67°C merupakan indikasi perubahansenyawa komplek amonia dari UO3.xNH3 menjadiU3Os dan sempuma menjadi UjOS pada suhu 580°C.

Berdasarkan perubahan berat kurva Ta-nya, kemungkinan reaksi yang terjadi pada puncaktersebut adalah :

3 (UO3.1,4NH3) U30a + 2,1 N2 + H2O

Berdasar perhitungan data dari perubahan berat Ta-nya, maka kemungkinan senyawa gel UO3 yangkami peroleh adalah senyawa : UO3.6NH3.2HzO

c

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Umiah Penelitian Dasar Umu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000

Hidayali. dkk ISSN 0216-3128 279

.3. BOTfS,J.L., ORNL-TM-6491, (1978)4. HAAS,B.A., ORNL-TM-6850, (1979)

LAMPIRAN

Data dhkl pada tiap puncak yang sesuai dengan poladifraksi dim. gambar 3

Tabel 2. Data intensitas, dhkl clan FWHM pada tiap

sudut 20 dari pola difraksi sam pel V03yang telah dipanaskan pada suhu 4QO°C.

Puncak 2 0 DhkI FWHMNo. dera"at A1 65,345 1,4268 9 ,2 65,074 1,4321 11 0,8403 58,626 1,5733 8 0,5344 58,301 1,5813 10 0,2845 53,479 1,7119 10 0,4716 51,475 1,7738 42 0,7597 50,391 1,8094 8 0,3038 46,869 1,9368 7 0,1999 46,111 1,9668 19 0,86710 45,894 1,9756 18 0,90311 43,510 2,0782 15 0,57812 33,920 2,6405 57 0,65813 26,010 3,4228 100 0,51714 21,892 4,0564 8 0,43315 21,351 4,1581 36 0,578

d

Gambar 3. Pola difraksi senyawa VOJ yangdipanaskan pada suhu 200"C(a).400"C(b). 500"C(c) dan 600"C(d).

Oari data difraksi sinar-x terse but, secarakualitatif pola difraksi yang diperoleh dicocokkandengan tabel Hanawalt. Pola difraksi padapemanasan 200°C tersebut (Tabel 1 dan gambar3a.), masih mengandung senyawa hidrat dan NH]atau menunjukkan adanya senyawaUOJ.xH2O.yNH] yang sesuai dengan tabel Hanawaltno.13-340. Pada pemanasan 4000 dan 500°C,polanya hampir sarna (ad a gambar 3b+c dan tabel2+3 pada lampiran 1) , yang menunjukkan masihadanya senyawa UO], yang sesuai dengan tabelHanawalt no.12-43. Pad a pemanasan suhu 600°Cterlihat pola (gambar 3d dan tabel 4 pada lampiranI) yang serupa dengan senyawa U]O. ortorombik

atau sesuai dengan tabel Hanawalt no.24-1172. Olehkarena itu, untuk memperoleh mikrobutir U]Os darisenyawa gel UO] dengan perlakuan kalsinasidengan suhu minimum kalsinasi adalah 600°C.

Tabel3. Data intensitas, dhkl clan FWHM pada tiapsudut 20 dari pola difraksi sampel V03yang telah dipanaskan pada suhu 500°C.

Puncak 2 0 DhkI FWHMNo, dera'at A1 65,455 1,4247 14 ,2 58,298 1,5814 18 1,3913 53,528 1,7105 20 1,0674 51,251 1,7810 68 0,8325 45,938 1,9739 36 0,8746 43,444 2,0812 19 0,6687 33,794 2,6501 64 0,6998 25,879 3,4399 100 0,6509 21,216 4,1841 52 0,60110 11892 7,4358 12 0,710

KESIMPULAN

Dekomposisi then11al gel VO3 yangdipelajari dengan alat ST A sampai suhu 700°Cmenunjukkan bahwa mikro butir gel VO3terdekomposisi menjadi 5 step, dua step pertama

dan kedua merupakan reaksi endoten11is hilangnyaair yang menempel secara fisika mulai suhu 100°Cmaupun air krista! yang terikat secara kimia pad a

suhu puncak 219,87°C. Dua step ketiga dan keempatmerupakan reaksi eksoten11is hilangnya amonia dan

step terakhir merupakan reaksi dekomposisisenyawa kompleks VO3.xNH3 menjadi V3O8. Hasilpola difraksi sinar-x menunjukkan bahwa gel VO3yang telah dipanaskan pada suhu 600°Cmemberikan indikasi terbentuknya senyawa V3O8.Oleh karena itu suhu kalsinasi gel va3 minimum

adalah 600°C.

Tabel4. Data intensitas, dhkl clan FWHM pada tiapsudut 20 dari pola difraksi sampel va3yang telah dipanaskan pacta suhu 600°C.

Puncak 2 0 D~ FWHMNo. A1 , 1,4247 29 ,2 64,696 1,4396 17 0,5043 59,166 1,5602 14 0,5354 58,082 1,5867 35 0,4165 53,202 1,7202 25 0,4806 51,467 1,7740 100 0,5647 50,600 1,8024 27 0,506

DAFTAR PUS TAKA

1. BISHA Y ,A.F., et all., Journal of Thermal

Analisis, vol.32, 1415-1420, (1987)2. BISHA Y ,A.F., et all., Journal of Thermal

Analisis, vol.32, 1877-1881, (1987)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

I

20

,45,28743,44433,79425,87921.216

PuncakNo.8910111213

Ow-~

1,95642,00072,08122,65013,4399]'

4.1841

I

FWHM

i (deraj.'!!!.!

0.5100.5140.4310,5500,4860.417

1110

412032849375

TANYA JAWAB

DC selama 2 jam, kemudian dinaikkan 70 DC,baru kemudian 100 DC. Demikianjuga waktukalsinasinyajuga dilakukan bertahap.

Fathurrachman~ Apakah acta gel VO3 yang pecah selama proses

kalsinasi dan pad a suhu berapa ?~ Apakah masih acta kemungkinan ion nitrat acta

dalam gel UO3 ?

Hidayati~ Selama proses kalsinasi pada gel yang

diperoleh memang ada sebagian yang pecahtetapi kami belum pernah memperlihatkanpada suhu berapa, karena kalsinasidilaksanakan pada tungku yang tertutuprClpat (tanpa kaca) dan tidak bisa dilihat dariluar.

~ Sebetulnya ion nitrat dihClrClpkan telah habispCldCl saat perendamCln dCln pencucfCln geldengan NH1OH, namun telah diteliti olehpeneliti lain bahwa ion nitratternyata masihada di dalam gel VOJ setelClh pencucian(dengan analisis nitrat dalam gel VOJJ.

Sudarmadji~ Bagaimana mengetahui bahwa yang hilang N2O,

H2O kristal, NH3 dan mengetahui rcaksiperubahan kompleks UO3.xNI~13 menjadi U30g ?

Hidayati-<i- Dengan menganalisis menggunakCln alaI

STA, berdasarkan perubahan bcrat danperubahan pana.s' (en/alpi)nya, didukungClnalisis kualitatif bentuk senyawanya padasuhu-suhu yang diduga dengan alaI XRD,DCln un/uk lebih detailnya ada di makalah,

Abdul Latif~ Didalam kalsinasi, suhu divariasi sid 600 °C,

kenapa tidak dilanjutkan ke yang lebih tinggi ?karena pada suhu 600 °c masih belum totalU30s.

~ Untuk mengatasi pecahnya butiran uranium,mungkin bisa dilakukan dengan caramemperlambat kecepatan pemanasan baik pad apengeringan maupun kalsinasi.

Hidayati..c.. Sebe/ulnya. peneli/ian ini bukan melllvariasi

suhu kalsinasi, /e/api memanaskan gel hasilpengeringan dengan varia~'i suhu 200, 400,500 dan 600 DC kemudian dianalisiss/ruk/ur/bentuk senyawanya secara kualitatifdengan XRD, dengan tujuan ingin melihatkesesuaian bentuk senyaWQ yangdiperkirakan dari analisis ST A.

..c.. Memang betul apa yang diutarakan dan halini juga sudah komi laksanakan yaitupengeringan secara bertahap mulai suhu 50

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000