Proses Pembuatan Karbon Aktif

9

2.2.1 Proses Pembuatan Karbon Aktif

Telah dijelaskan bahwa segala jenis material yang berbahan karbon dapat diaktivasi. Sebagai penambahan, bahan baku umum yang banyak juga digunakan adalah limbah ban, resin fenol formaldehid, sekam padi, residu pulp, tongkol jagung, biji kopi dan tulang. Saat ini, jenis - jenis produk karbon aktif komersial adalah berbentuk butiran granular, tablet extruded, dan bubuk. Karbon aktif dapat dihasilkan dengan cara aktivasi uap steam atau aktivasi kimia dimana kedua jenis aktivasi ini menggunakan suhu yang dielevasikan atau dinaikkan [24]. 2.2.1.1 Pembuatan Karbon Aktif dengan Aktivasi Fisika Aktivasi fisika melibatkan pemisahan zat volatil diikuti dengan oksidasi pada struktur unsur karbon tersebut [24]. Aktivasi fisika melibatkan dua tahap penting, yaitu : karbonisasi dan aktivasi. Tahap karbonisasi melibatkan proses perubahan struktur dari bahan baku, seperti batubara, menjadi karbon yang memiliki struktur tidak beraturan dengan kandungan zat volatil yang sangat rendah. Tahap ini dilangsungkan pada suhu tinggi dalam kondisi yang bebas oksigen. Pada tahap aktivasi, beberapa unsur karbon tersebut bereaksi, dan meninggalkan struktur pori yang banyak. Tahap aktivasi dilangsungkan dengan injeksi uap atau steam pada suhu yang tinggi [28]. Prinsip dasar aktivasi fisika adalah tahap karbonisasi dilangsungkan pada suhu 500 - 600 o C kemudian dilanjutkan dengan aktivasi memakai uap atau steam pada suhu 800 - 1100 o C. Keseluruhan reaksi mengkonversi karbon menjadi karbon dioksida adalah reaksi eksotermis dan energi panas ini dapat digunakan untuk mempertahankan kondisi operasi proses tersebut. C + H 2 O steam CO + H 2 -31 kkal CO + ½ O 2 CO 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O steam + 58 kkal C + O 2 CO 2 + 94 kkal Berbagai jenis tanur dan furnace dapat digunakan untuk proses karbonisasi dan aktivasi, seperti rotary yang dipanaskan secara langsung atau tidak langsung, vertical multi-hearth furnace, fluidized bed reactor dan vertical single throat retorts . Sebagai contoh akan dijelaskan pembuatan karbon aktif Universitas Sumatera Utara 10 menggunakan vertical retort. Bahan baku dimasukkan melalui suatu hopper di bagian atas retort dan mengalir ke bawah akibat gaya gravitasi melalui anulus saluran pusat menuju dasar retort. Saat bahan baku melewati saluran tersebut, suhu retort akan meningkat hingga 800 - 1000 o C dan terjadi proses karbonisasi. Bagian dasar retort merupakan bagian aktivasi dan di bagian inilah terjadi aktivasi dengan memakai steam. Udara dialirkan ke dalam retort untuk mengkonversi gas CO dan H 2 menjadi gas CO 2 dan uap steam dan panas hasil dari reaksi eksotermis ini akan mempertahankan kondisi operasi tersebut [24]. 2.2.1.2 Pembuatan Karbon Aktif dengan Aktivasi Kimia Aktivasi kimia dicapai dengan proses penguraian atau pelepasan molekul air, biasanya pada struktur bahan baku selulosa. Aktivasi umumnya digunakan untuk produksi karbon aktif dari serbuk gergaji, kayu atau gambut. Proses ini meliputi pencampuran zat kimia dengan bahan baku berkarbon, biasanya kayu, dan proses karbonisasi campuran tersebut. Bahan baku dicampuri dengan aktivator, biasanya asam fosfat, untuk membengkakkan kayu dan melemahkan ikatan struktur selulosa. Campuran bahan baku dengan aktivator kemudian dikeringkan dan dilanjutkan dengan proses karbonisasi, biasanya dalam rotary kiln, pada suhu yang rendah antara 400 hingga 500 o C. Pada proses karbonisasi, zat kimia ini berfungsi sebagai pendukung agar karbon hasil proses tersebut tidak menyusut. Ia memisahkan molekul air pada ikatan karbon, menghasilkan amortisasi dan pengarangan karbon tersebut, sehingga membentuk struktur pori dan luas permukaan yang besar [29]. Aktivator juga berperan untuk menghambat pembentukan tar dan memperbesar yield karbon yang dihasilkan [30]. Karbon aktif yang dihasilkan dengan menggunakan aktivasi kimia memiliki distribusi pori yang cocok digunakan sebagai adsorben tanpa pengolahan tahap lanjut. Dalam hal ini, karbon aktif yang diolah adalah karbon yang bersifat asam sehingga mereka tidak murni bila dibandingkan dengan karbon aktif menggunakan aktivasi fisika [29]. Kelemahan dari aktivasi kimia dalam pembuatan karbon aktif adalah perlunya mencuci sisa bahan anorganik yang masih melekat dalam karbon aktif dan memberikan dampak negatif polusi yang Universitas Sumatera Utara 11 mengakibatkan masalah yang serius [30]. Karbon aktif dengan aktivasi kimia biasanya berbentuk bubuk. Apabila bahan baku butiran digunakan, maka akan dihasilkan pula karbon aktif butiran. Karbon aktif ini memiliki kekuatan mekanik yang lemah, dan tidak cocok digunakan untuk adsorpsi fasa gas [29]. 2.2.1.2.1 Proses Pembuatan Karbon Aktif dengan Aktivator H 3 PO 4 Apabila aktivasi kimia dianggap sebagai reaksi antara bahan baku yang bisa disebut prekursor dengan zat kimia, maka konsentrasi, kehomogenan campuran, suhu dan waktu aktivasi menentukan sejauh mana reaksi tersebut berlangsung [29]. Aktivasi kimia dengan memakai aktivator H 3 PO 4 dalam pembuatan karbon aktif biasanya dilangsungkan pada suhu 450 _ hingga _ 600 _ o C. Pada suhu ini, proses karbonisasi berlangsung tidak sempurna, sehingga komposisi kimia dari karbon aktif yang dihasilkan setelah melalui proses pencucian zat kimia untuk pengurangan kadar aktivator adalah berada antara bahan baku dan arang karbon tanpa aktivasi [32]. Secara singkat secara umum pembuatan karbon aktif dengan aktivasi kimia dijelaskan sebagai berikut. Aktivator dilarutkan di dalam air, dicampurkan dengan bahan baku yang akan diaktivasi dan campuran tersebut dikondisikan pada suhu 85 o C tanpa evaporasi. Proses hidrasi terjadi, dan struktur bahan baku akan mengalami pembengkakan sehingga terjadi suatu alur dimana aktivator akan mengalir kedalam bagian dalam dari partikel tersebut. Partikel yang diimpregnasikan dengan asam fosfat menjadi elastis. Asam memisahkan serat selulosa, depolimerisasi hemiselulosa parsial dan lignin komponen utama matriks terjadi dan mengurangi hambatan mekanik sehingga akan menggembungkan partikel itu. Tahap depolimerisasi tersebut dilanjutkan dengan tahap dehidrasi dan kondensasi yang akan menghasilkan lebih banyak produk aromatik. Produk aromatik ini bersifat reaktif dan dihubungkan secara silang oleh gugus fosfat tersebut [33]. Produk yang terbentuk adalah tar dan dapat diamati pada permukaan partikel [31]. Asam fosfat menghasilkan efek dehidrasi pada komponen selulosa, hemiselulosa dan lignin di bagian dalam dari partikel selama perlakuan panas berlangsung. Dehidrasi terjadi karena zat kimia tersebut berada dalam fasa cair Universitas Sumatera Utara 12 pada suhu tersebut selama proses berlangsung, sehingga memungkinkan ikatan pada prekursor partikel terurai secara termal. Prekursor ini dapat mengalirkan air menuju reaktan, bereaksi dan membentuk senyawa terhidrasi. Air akan berkurang seiring suhu meningkat. Dehidrasi yang dihasilkan oleh asam fosfat bersifat kuat [31]. Dehidrasi prekursor menghasilkan reduksi dimensi partikel, walaupun reduksi tersebut pada bagian tertentu dihambat karena reaktan masih tersisa selama perlakuan panas, dan berperan dalam pembentukan struktur mikropori. Volume mikropori yang berkembang selama proses aktivasi berlangsung bergantung pada kadar aktivator yang digunakan untuk impregnasi bahan baku, semakin tinggi kadar aktivator, maka semakin berkembang mikropori tersebut [31]. Morfologi dari karbon yang diimpregnasikan dengan perbandingan impregnasi yang rendah hampir identik dengan arang, akan tetapi apabila konsentrasi asam meningkat, maka permukaan arang tersebut yang bereaksi akan terlihat lebih jelas. Pada konsentrasi asam yang tinggi, morfologi lapisan luar tidak terlihat lagi karena struktur selulosa dalam jumlah besar telah diuraikan dan diekstrak dari bagian dalam menuju bagian luar dari partikel. Hal inilah yang menyebabkan terbentuknya struktur makropori dan mesopori [31].

2.3 PIROLISIS