Pembuatan Arang Aktif Arang Aktif

21

2.4.1 Pembuatan Arang Aktif

Arang aktif yang biasa beredar di pasaran umumnya dibuat dari tempurung kelapa, kayu dan batubara. Beberapa publikasi menyatakan bahwa arang aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon, seperti kayu atau serbuk gergajian kayu, bambu, sekam padi, gambut, batu bara, tempurung kelapa, bagase, resin, dan serat akrilonitril Concheso et al. 2005; Paris 2005. Perbedaan bahan baku dapat menyebabkan sifat dan mutu arang aktif yang berbeda pula. Sifat-sifat arang aktif dari beberapa jenis bahan baku ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 Sifat arang aktif dari beberapa jenis bahan baku Sifat Tempurung kelapa Batubara Lignit Kayu Mikropori Makropori Kekerasan Abu Debu Regenerasi Iodin mgg Kerapatan gcc Tinggi Rendah Tinggi 5 Rendah Baik 1100 0,48 Tinggi Sedang Tinggi 10 Sedang Baik 1000 0,48 Sedang Tinggi Rendah 20 Tinggi Jelek 600 0,3 Rendah Tinggi Sedang 5 Sedang Cukup 800 0,35 Sumber: Actech 2002 dalam Pari 2004 Berdasarkan data Tabel 1 di atas, terlihat bahwa masing-masing bahan baku dari arang aktif tersebut mempunyai karakter yang berbeda-beda, dan sifat ini sangat mempengaruhi proses penerapannya. Mutu suatu arang aktif sangat bergantung dari bahan baku yang digunakan, bahan pengaktif, suhu dan cara mengaktifkannya Jaguaribe et al. 2005. Arang aktif dapat dibuat melalui proses pirolisis material yang mengandung karbon, baik bahan tumbuhan seperti kayu, batubara, lumut, biji-bijian, dan tempurung buah-buahan, serta sampah biji sawit, maupun bahan-bahan polimer sintetik, seperti rayon, poliakrilonitril PAN, dan polivinil klorida PVC. Pada proses pirolisis berbagai material karbon melalui dekomposisi molekul organik tanpa udara dihasilkan ter, gas-gas ringan dan arang padat berpori Guo Lua 2000; Manocha 2003. Karakteristik beberapa material kasar yang digunakan pada pembuatan karbon aktif secara pirolisis ditunjukkan pada Tabel 2. 22 Tabel 2 Karakteristik beberapa material kasar yang digunakan pada pembuatan karbon aktif secara pirolisis Material Karbon Volatil Massa jenis kgm 3 Abu Tekstur karbon aktif Aplikasi karbon aktif Kayu lunak 40-45 55-60 0,4-0,5 0,3-1,1 Lunak, volume pori besar Adsorpsi fase larutan Kayu keras 40-42 55-60 0,55-0,8 0,3-1,2 Lunak, volume pori besar Adsorpsi fase larutan Lignin 35-40 58-60 0,3-0,4 - Lunak, volume pori besar Adsorpsi fase larutan Kulit biji- bijian 40-45 55-60 1,4 0,5-6,0 Keras, volume pori beragam Adsorpsi fase uapasap Lignit 55-75 35-40 1,0-1,35 5-6 Keras, volume pori kecil Perlakuan limbah cair Batu bara lunak 65-80 25-30 1,25-1,50 2,12 Semi keras, volume mikropori sedang Adsorpsi fase cair dan uap Petroleum kokas 70-85 15-20 1,35 0,5-0,7 Semi keras, volume mikropori sedang Adsorpsi gas- uap Batu bara semi keras 70-75 1-15 1,45 5-15 Keras, volume pori besar Adsorpsi gas- uap Batu bara keras 85-95 5-10 1,5-2,0 2,15 Keras, volume pori besar Adsorpsi gas- uap Sumber: Manocha 2003 Data Tabel 2 menunjukkan karakteristik karbon, komponen volatil, abu, dan tekstur serta ukuran pori-pori dari arang yang diproses secara pirolisis sangat beragam. Hasil tersebut sangat bergantung dari bahan baku yang digunakan, sehingga mutu dari arang aktif yang dihasilkanpun sangat beragam. Hal ini juga akan berpengaruh pada penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Hasil penelitian Nurhayati et al. 2002 menunjukkan bahwa produksi arang aktif dari bahan baku kayu bakau akan diperoleh rendemen yang lebih tinggi pada perlakuan sampel dengan cara dipotong-potong secara manual menggunakan pisau, dibandingkan dengan yang ditumbuk menggunakan lesung. Rendemen arang aktif yang paling tinggi yaitu 77,39 terdapat pada bakau, kemudian tempurung kelapa 72,93, diikuti akasia mangium 66,28, dan tusam 57,89. Di samping itu, teknik produksi arang aktif dengan cara aktivasi udara lebih baik bila dibandingkan dengan uji perendaman menggunakan larutan asam fosfat 5. Menurut Manocha 2003, proses pembuatan arang aktif dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu: aktivasi cara kimia dan cara fisika. 23

2.4.1.1 Aktivasi cara kimia

Aktivasi arang secara kimia dilakukan melalui proses pirolisis pada suhu tinggi dan tanpa udara. Prinsip aktivasi ini dimulai dengan merendam arang dalam suatu larutan pengaktif dengan konsentrasi tertentu, selama beberapa jam sebelum dipanaskan, biasanya antara 12 sampai 24 jam. Kemudian hasil rendaman tersebut disaring dan ditiriskan, lalu dipanaskan pada suhu berkisar antara 400-600 o C selama 1- 2 jam. Pada keadaan ini, komponen pengaktif akan masuk di antara kisi-kisi lapisan heksagonal dan akan berperan untuk membuka lapisan pada permukaan arang yang tertutup, sehingga permukaan menjadi lebih besar dan arang akan lebih aktif. Setelah selesai pemanasan, retort yang berisi arang didinginkan di udara terbuka selama ± 1 jam. Setelah dingin, hasil tersebut dikeluarkan, dicuci dengan air sampai filtratnya netral dengan cara mengujinya menggunakan kertas lakmus, lalu dikeringkan dalam oven sampai suhu 105 o C, dan selanjutnya diperoleh hasil arang aktif Manocha 2003. Bahan kimia yang sudah dilaporkan dapat mengaktivasi arang menjadi arang aktif, antara lain H 3 PO 4 , ZnCl 2 , H 2 SO 4 , K 2 S, atau KOH Muzammel et al. 2002 dalam Smisek Cerny 2002. Di samping itu, juga NaOH, CaCO 3 , MgCO 3 , Fe 2 CO 3 3 , CaCl 2 , MgCl 2 , atau FeCl 3 Derbyshier 1995 dalam Manocha 2003. Beberapa literatur lain melaporkan NaOH Figueroa-Torres et al. 2007, KOH Stavropoulos Zabaniotou 2005; Robau-Sanchez et al. 2005, H 3 PO 4 Gomez-Serrano et al. 2005, H 2 SO 4 Guo et al. 2007; Maroto-Valer et al. 2005, HCl Zhang et al. 2005, HNO 3 El-Hendawy 2003, ZnCl 2 Namane et al. 2005, MgCl 2 atau CaCl 2 Sudradjat Soleh 1994, Na 2 CO 3 Hartoyo Pari 1993, K 2 CO 3 Hayashi et al. 2005, NH 4 HCO 3 Pari 2004, PtNH 3 4 NO 3 2 Shih Chang 2005, SO 2 atau H 2 S Nguyen-Thanh Bandosz 2005, asam sitrat Chen et al. 2003, dan amonia Boudou et al. 2003. Hasil penelitian Pari 2004 menunjukkan pemakaian bahan kimia sebagai bahan pengaktif sering kali mengakibatkan pengotoran pada arang aktif yang dihasilkan. Umumnya aktivator meninggalkan sisa-sisa yang tidak diinginkan, misal oksida yang tidak larut dalam air pada waktu pencucian. Oleh karena itu, dalam beberapa proses sering dilakukan pelarutan kembali arang aktif dengan HCl untuk mengikat kembali sisa-sisa bahan kimia yang menempel pada permukaan arang dan kandungan abu yang terdapat dalam arang aktif. 24

2.4.1.2 Aktivasi cara fisika

Aktivasi arang secara fisika menggunakan oksidator lemah, misalnya gas CO 2 , uap air, nitrogen, dan lain-lain. Oleh karena itu, pada proses ini tidak terjadi oksidasi terhadap atom-atom karbon penyusun arang, akan tetapi oksidator tersebut hanya mengoksidasi komponen yang menutupi permukaan pori arang. Prinsip aktivasi ini berbeda dengan aktivasi kimia, yaitu dimulai dengan mengaliri gas-gas ringan, seperti uap air, CO 2 , atau udara ke dalam retort yang berisi arang dan dipanaskan pada suhu 800-1000 o C. Pada suhu di bawah 800 o C, proses aktivasi dengan uap air atau gas CO 2 berlangsung sangat lambat, sedangkan pada suhu di atas 1000 o C, akan menyebabkan kerusakan struktur kisi-kisi heksagonal arang. Oleh karena itu, proses gasifikasi terhadap material yang diarangkan dengan uap dan CO 2 akan berlangsung melalui reaksi endoterm Manocha 2003. Reaksi-reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: Cs + H 2 Og Æ COg + H 2 g ΔH = + 29 kkal Cs + CO 2 g Æ 2COg ΔH = + 39 kkal COg + H 2 Og Æ CO 2 g + H 2 g ΔH = + 10 kkal Molekul H 2 O lebih kecil dibandingkan molekul CO 2 , sehingga ia lebih cepat berdifusi ke dalam pori karbon. Akibatnya reaksi dengan uap lebih cepat dibanding dengan CO 2 . Aktivasi dengan CO 2 meningkatkan oksidasi eksternal dan mengembang- kan perluasan pori arang sebanding dengan aktivasi uap, sehingga aktivasi yang terjadi menjadi kurang efektif, akibat panas yang terbentuk menjadi berkurang. Menurut Manocha 2003, salah satu cara menangani kasus ini, ialah dengan membakar gas-gas yang terbentuk, seperti reaksi di bawah ini. COg + 12O 2 g Æ CO 2 g ΔH = - 1192,44 kkal H 2 g + 12O 2 g Æ H 2 Og ΔH = - 995,79 kkal Akan tetapi kehadiran gas O 2 dalam retort aktivasi akan menimbulkan masalah terutama karena sangat sulit dikontrol, sehingga menyebabkan terjadi reaksi eksoterm terhadap karbon. Cs + O 2 g Æ CO 2 g ΔH = - 92,40 kkal 2 Cs + O 2 g Æ 2 COg ΔH = - 53,96 kkal 25 Beberapa gas pengoksidasi yang dapat digunakan untuk aktivasi arang secara fisika, antara lain uap air H 2 O Basumatary et al. 2005, gas CO 2 atau N 2 Machnikowski et al. 2005, H 2 Takagi et al. 2004, Br 2 Gaier et al. 2005, O 3 Sanchez-Polo et al. 2005, argon Nguyen Bhatia 2005, atau CH 4 Rangel-Mendez Cannon 2005. 2.4.2 Sifat-sifat Arang Aktif 2.4.2.1 Sifat-sifat kimia