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