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