1 Arang Aktif TINJAUAN PUSTAKA

II. TINJAUAN PUSTAKA

2. 1 Arang Aktif

Arang adalah suatu bahan padat berpori yang dihasilkan melalui proses pirolisis dari bahan-bahan yang mengandung karbon Kinoshita, 2001 dalam Lempang, 2009. Arang aktif atau karbon aktif adalah arang yang konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari ikatan dengan unsur lain serta rongga atau porinya dibersihkan dari senyawa lain atau kotoran, sehingga permukaan dan pusat aktifnya menjadi luas atau meningkatkan daya adsorbsi terhadap cairan dan gas Sudrajat dan Soleh, 1994. Pada prinsipnya, pengolahan arang menjadi arang aktif adalah proses untuk membuka pori-pori arang agar menjadi lebih luas, yaitu dari luas 2 m 2 g pada arang menjadi 300 – 2000 m 2 g pada arang aktif. Arang aktif dapat dibedakan dari arang berdasarkan sifat pada permukaannya. Permukaan pada arang masih ditutupi oleh deposit hidrokarbon yang menghambat keaktifannya, sedangkan pada arang aktif permukaannya relatif telah bebas dari deposit dan mampu mengadsorbsi karena permukaannya luas dan pori-porinya telah terbuka Gomez-Serrano et al., 2003 dalam Lempang, 2009. Secara umum, ukuran pori arang aktif dibagi ke dalam tiga kategori, yaitu makropori, mesopori dan mikropori. Makropori memiliki diameter 1000 – 100.000 Ǻ, mesopori memiliki diameter 100 – 1000 Ǻ, sedangkan mikropori memiliki diameter kurang dari 100 Ǻ Roy, 1995. Pada pembuatan arang aktif, mutu produk yang dihasilkan sangat tergantung dari bahan baku yang digunakan, bahan pengaktif, suhu dan cara pengaktifannya Hartoyo et al., 1990. Arang aktif dapat dibuat dari bahan tumbuhan seperti kayu, biji-bijian, lumut, dan tempurung buah-buahan, maupun bahan-bahan polimer sintetik seperti rayon, poliakrilonitril, dan polivinil klorida. Sudrajat dan Soleh 1994 menjelaskan bahwa pembuatan arang aktif dilakukan dalam dua tahap, yaitu proses karbonisasi atau destilasi kering yang dilanjutkan dengan tahap pengaktifan atau pengeluaran senyawa yang menutupi rongga dan pori-pori arang aktif dengan cara dehidrasi menggunakan garam jenuh seperti MgCl 2 , ZnCl 2 , CaCl 2 , NaOH, H 3 PO 4 , dan lain-lain. Selanjutnya, untuk membebaskan unsur karbon dari ikatan dengan unsur lain, terutama hidrogen dan oksigen, dilakukan oksidasi lemah dengan uap air pada suhu tinggi 1000 o C. Pada prinsipnya, arang aktif dapat dibuat dengan dua cara, yaitu: 1. Aktivasi cara kimia Pada proses ini fasa pengarangan dan fasa pengaktifan berlangsung dalam satu tahap. Bahan baku direndam dalam larutan pengaktif selama 12 - 24 jam setelah itu ditiriskan, lalu diarangkan. Dengan adanya pemanasan pada suhu tinggi diharapkan aktivator dapat masuk di antara pelat heksagonal dari kristalit arang yang menyebabkan terjadinya pengikisan permukaan kristalit dan membuka permukaan arang yang tertutup sehingga menjadi aktif. Hal ini dapat terjadi karena arang aktif dengan strukturnya yang mirip grafit mempunyai lapisan karbon heksagonal yang tidak terapatkan, karena tiap atom karbon mempunyai bilangan koordinasi tiga dan ikatan antar lapisan lemah, sehingga memungkinkan terjadinya interkalasi di antara lapisan karbon. Pemakaian bahan kimia sebagai bahan pengaktif sering mengakibatkan pengotoran pada arang aktif yang dihasilkan. Umumnya aktivator meninggalkan sisa-sisa berupa oksida yang tidak larut dalam air pada waktu pencucian. Oleh karena itu dalam beberapa proses sering dilakukan pelarutan dengan HCl untuk mengikat kembali sisa-sisa bahan kimia yang menempel pada permukaan arang dan kandungan abu yang terdapat dalam arang aktif. 2. Aktivasi cara fisika Pada proses ini terdapat dua tingkat operasi, yaitu fasa pembentukan pori dan fasa pengaktifan. Fasa pembentukan pori terjadi pada saat pengarangan bahan baku, pada suhu 400 - 600 o C. Pengarangan di atas suhu 600 o C akan menghasilkan arang dengan modifikasi sifat yang sukar diaktifkan, sedangkan arang yang dihasilkan pada suhu di bawah 600 o C sangat efektif untuk diaktivasi tetapi arang ini masih dilapisi oleh senyawa hidrokarbon, sehingga menutupi pori arang aktif yang terbentuk. Untuk membersihkan permukaan arang dari senyawaan ini dapat dilakukan dengan jalan mengalirkan gas pada suhu 800 – 1000 o C. Reaksi pengaktifan dengan gas seperti H 2 O dan CO 2 berjalan secara endotermis, sehingga proses aktivasinya kurang efektif. Hal ini dapat diatasi dengan memanaskan permukaan luar dari unit aktivasinya, sehingga distribusi panas merata. Beberapa penelitian terdahulu telah mempelajari reaksi antara arang dengan uap air pada suhu yang berbeda. Reaksi yang terjadi antara arang dengan uap air yaitu: C + H 2 O → CH 2 O CH 2 O → H 2 + CO CO → CO C + H 2 → CH 2 2C + H 2 O → CH + COH CH + COH → CH 2 + CO CO + H 2 O → CO 2 + H 2 CO + CO → CO 2 + C Agar reaksi bergeser ke arah produk mempertahankan tahap oksidasi, perlu ditambahkan atau dialirkan sejumlah gas sebagai bahan pengaktif. Selama aktivasi dengan gas, pelat-pelat karbon kristalit atau celah menjadi tidak teratur dan mengalami pergeseran, sehingga permukaan kristalit atau celah-celah menjadi terbuka, karena gas pengaktif mendorong residu hidrokarbon seperti ter, fenol, metanol, dan senyawa lain yang menempel pada permukaan arang. Pergeseran pelat-pelat karbon kristalit selain membentuk pori baru, juga mengembangkan pori-pori yang sudah ada, sehingga dari mikropori menjadi makropori Miura et al., 2000. Pada penelitian ini, aktivasi arang dilakukan dengan mengalirkan uap air pada suhu 600 o C dan 700 o C selama 90 menit. Alat yang digunakan untuk pembuatan arang aktif ini adalah retort tungku yang terbuat dari baja tahan karat dengan ukuran panjang 1 m dan diameter 5 cm yang dililit dengan elemen kawat nikelin sebagai pemanas dan dilengkapi dengan dua buah termokopel untuk mengontrol suhu aktivasi serta dilengkapi dengan ketel yang juga terbuat dari baja tahan karat sebagai penghasil uap bahan pengaktif dan pendingin yang terbuat dari kaca. Bagan alat pembuatan arang aktif dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Tanur untuk Membuat Arang Aktif yang Terbuat dari Baja Tahan Karat yang Dilengkapi dengan Termokopel Sumber: Pari, 2004. Mekanisme proses aktivasi dengan uap panas dalam retort ini yaitu uap air dialirkan dengan pompa ke dalam reaktor yang berisi arang yang dipanaskan dengan mantel pemanas listrik. Uap akan bereaksi dengan arang menjadi CO 2 dan H 2 secara selektif dan hasil reaksi berupa gas kemudian didinginkan dalam kondensor dan selanjutnya gas yang terkondensasi ditampung dalam labu gelas, sisa gas dibuang lewat cerobong. Setelah aktivasi selesai, aliran uap air dan sumber panas dihentikan, kemudian reaktor yang telah berisi arang aktif dibiarkan dingin sampai suhu kamar. Selanjutnya arang aktif dipindahkan ke dalam kemasan untuk diproses lebih lanjut. Kualitas arang aktif dievaluasi berdasarkan SNI 06-3730-1995 BSN, 1995 yang meliputi: 1. Kadar rendemen Kadar rendemen adalah bobot arang aktif setelah diaktivasi berbanding bobot arang sebelum diaktivasi. Penetapan kadar rendemen arang aktif bertujuan untuk mengetahui arang aktif yang dihasilkan setelah melalui proses aktivasi. Rendemen arang aktif dipengaruhi oleh temperatur dan waktu. 2. Kadar air Kadar air merupakan banyaknya air yang terkandung di dalam bahan yang dinyatakan dalam persen. Penetapan kadar air arang aktif bertujuan untuk mengetahui sifat higroskopis dari arang aktif. 3. Kadar zat terbang Zat terbang merupakan zat-zat mudah menguap yang terdapat di dalam arang aktif. Penetapan kadar zat terbang bertujuan untuk mengetahui kandungan senyawa yang belum menguap pada proses karbonisasi dan aktivasi, tetapi menguap pada suhu 950 o C. Komponen yang terdapat dalam arang aktif adalah air, abu, karbon terikat, nitrogen, dan sulfur. Pada pemanasan dengan suhu 950 o C, nitrogen dan sulfur akan menguap dan komponen yang menguap inilah yang disebut sebagai zat terbang. 4. Kadar abu Abu merupakan residu anorganik yang tersisa setelah pemijaran atau oksidasi sempurna bahan organik. Hasil yang didapatkan dari proses pengujian kadar abu adalah abu berupa oksida-oksida logam dalam arang yang terdiri dari mineral yang tidak dapat menguap pada proses pengabuan kadar abu. Abu merupakan oksida logam yang terdiri dari kalium, natrium, magnesium, kalsium, dan komponen logam lainnya. Penetapan kadar abu bertujuan untuk menentukan kandungan oksida logam tersebut di atas yang terdapat dalam arang aktif. 5. Kadar karbon Kadar karbon adalah persen jumlah karbon yang terdapat pada fraksi padat hasil pembakaran selain abu dan zat-zat atsiri yang masih terdapat pada pori arang. Kadar karbon diperoleh berdasarkan hasil pengurangan dari seluruh berat contoh 100 terhadap zat mudah menguap dan kadar abu. Kadar karbon murni dapat diketahui dengan membandingkan antara nilai kadar abu dan kadar zat terbang. 6. Daya adsorb terhadap iodium Penetapan daya adsorb arang aktif terhadap iodium bertujuan untuk mengetahui kemampuan arang aktif dalam mengadsorb larutan berwarna kotoran. Kualitas arang aktif akan semakin baik jika daya adsorb iodiumnya besar. Besarnya daya adsorb arang aktif terhadap iodium merupakan petunjuk terhadap besarnya diameter pori arang aktif yang dapat dimasuki oleh molekul yang ukurannya tidak lebih besar dari 10Å, dan banyaknya struktur mikropori yang terbentuk. 7. Daya adsorb terhadap biru metilena Penetapan daya adsorb arang aktif terhadap biru metilena bertujuan untuk mengetahui kapasitas daya adsorb arang aktif terhadap warna. Daya adsorb arang aktif terhadap molekul yang mempunyai ukuran lebih besar diukur berdasarkan kadar ini. Besarnya daya adsorb biru metilena menunjukkan besarnya pori yang aktif yang dimasuki oleh molekul yang tidak lebih dari 15Å. Beberapa hasil penelitian yang berhubungan dengan informasi teknis kualitas arang aktif dapat dilihat pada Tabel 1 dan 2. Tabel 1. Daya Adsorb Arang Aktif yang Terbuat dari Kayu dan Tempurung Kelapa Sifat Arang aktif dari kayu Arang aktif dari tempurung kelapa Adsorbsi karbon tetraklorida 40 – 50 60 – 65 Retensi karbon tetraklorida 13 41 Adsorbsi iodium 90 95 Adsorbsi fenol ppm 15 - Densiti gml 0,25 0,52 Kadar abu 3 2 Sumber: FAO 1974 dalam Sudrajat dan Soleh 1994 Tabel 2. Pengaruh Jenis Bahan Baku terhadap Kualitas Arang Aktif dengan Bahan Pengaktif H 3 PO 4 20 Jenis bahan baku Suhu o C Pemberian uap menit Rendemen Daya adsorb mgg Sengon 900 60 32,5 1130,8 Pinus merkusii 900 60 43,3 1090,9 Acacia mangium 900 60 37,5 1077,9 Karet 900 60 36,8 1015,1 Ekaliptus alba 900 60 33,0 1002,3 Tempurung kelapa 900 60 61,3 1105,2 Tempurung kelapa sawit 900 60 50,5 1100,6 Serbuk gergaji kayu campuran 900 60 30,3 985,3 Sumber: Sudrajat 1993 dalam Sudrajat dan Soleh, 1994 Beberapa penelitian telah menunjukkan pengaruh positif dari aplikasi arang aktif dalam bidang pertanian. Penelitian Masulili et al. 2010 menunjukkan bahwa aplikasi arang aktif dengan dosis 10 – 15 tonha menurunkan bobot isi tanah, Al dapat dipertukarkan, dan Fe terlarut serta meningkatkan porositas tanah, kadar air tanah tersedia, kadar C-organik, pH tanah, kadar P-tersedia, KTK tanah, K dan Ca dapat dipertukarkan. Perbaikan sifat-sifat tanah ini meningkatkan biomas yang dihasilkan. Selanjutnya, Clough dan Condron 2010 mengemukakan bahwa arang aktif memiliki kemampuan untuk memanipulasi laju siklus N dalam sistem tanah dengan mempengaruhi laju nitrifikasi dan adsorbsi amonia dan meningkatkan simpanan NH 4 + dengan meningkatnya KTK tanah, sehingga mereduksi kehilangan N dalam bentuk gas seperti N 2 O dan mengurangi pencucian nitrat. Penelitian Namgay et al. 2010 menunjukkan aplikasi arang aktif dapat mereduksi ketersediaan trace elements Pb, Cu, Cd, Zn, dan As bagi tanaman. Hasil penelitian ini pun dapat menjadi referensi bahwa arang aktif dapat digunakan dalam mengatasi permasalahan tanah yang terkontaminasi trace elements . Penelitian Yamato 2006 memberikan informasi bahwa penggunaan arang aktif meningkatkan pH tanah, kadar N total, P 2 O 5 tersedia, KTK, jumlah kation dapat dipertukarkan dan kejenuhan basa, serta menurunkan kadar Al 3+ dapat dipertukarkan. Akan tetapi, berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Chan et al . 2007, diketahui bahwa aplikasi arang aktif tidak meningkatkan produksi pada tanaman lobak, bahkan pada dosis 100 tonha tanpa adanya penambahan pupuk N, sedangkan penambahan arang aktif dengan dosis 50 tonha disertai dengan penambahan pupuk N meningkatkan produksi, pH tanah, kadar C-organik dan juga KTK tanah.

2. 2 Bambu sebagai Bahan Baku Arang Aktif