Pembuatan Karbon Aktif Dari Tempurung Kelapa (Coconut Shell) Dengan Proses Pengaktifan Kimia H3PO4 Menggunakan Microwave
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mereduksi bahan pencemar di
udara adalah pemanfaatan limbah tempurung kelapa sebagai adsorben (media
penyerap) yang sebelumnya telah diubah menjadi arang aktif [1]. Arang aktif
tempurung kelapa mampu menurunkan konsentrasi berbagai polutan di udara
termasuk CO, NO, dan NOx karena memiliki daya adsorpsi dan luas permukaan
yang baik [1]. Tempurung kelapa kebanyakan hanya dianggap sebagai limbah
industry pengolahan kelapa, ketersediaannya yang melimpah dianggap masalah
lingkungan, namun renewable, dan murah [2]. Padahal arang tempurung kelapa ini
masih dapat diolah lagi menjadi produk yang mempunyai nilai ekonomis tinggi yaitu
sebagai karbon aktif atau arang aktif [3].
Pembuatan karbon aktif ini merupakan proses gabungan antara kimia dan
fisika dengan perendaman aktivator dan pemanasan dengan injeksi nitrogen pada
suhu tinggi yang bertujuan memperbanyak pori dan membuat porositas baru
sehingga karbon aktif mempunyai daya serap tinggi [4]. Karbon aktif adalah arang
yang diproses sedemikian rupa sehingga mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi
terhadap bahan yang berbentuk larutan atau uap. Arang aktif dapat dibuat dari bahan
yang mengandung karbon baik organik atau anorganik, tetapi yang biasa beredar di
pasaran berasal dari tempurung kelapa, kayu dan batubara. Pada umumnya arang
aktif digunakan sebagai bahan penyerap dan penjernih [5].
Pada proses adsorpsi, ion atau senyawa yang diserap tertahan pada
permukaan partikel penyerap sedangkan proses pengikatan berlangsung sampai di
dalam partikel penyerap disebut sebagai proses absorpsi. Daya serap yang terjadi
dalam arang aktif terdapat tiga tahap yaitu: zat terserap pada arang aktif bagian luar,
kemudian menuju pori-pori arang, dan terjerap pada dinding bagian dalam arang
aktif. Menurut IUPAC, karbon aktif diklasifikasikan berdasarkan ukuran porinya
menjadi mikropori (diameter 50 nm) [6].
1
Universitas Sumatera Utara
Salah satu proses yang digunakan untuk pembuatan karbon aktif adalah
menggunakan proses pirolisis. Pirolisis yaitu pemanasan pada kondisi bebas oksigen.
Dalam proses pirolisis umumnya adalah mendegradasi suatu senyawa yang terdapat
dalam suatu material untuk memecahnya menjadi senyawa-senyawa parsial [7]. Pada
proses pirolisis menghasilkan arang atau karbon dan gas, secara umum gas yang
terbentuk antara lain H2, CO, H2O, dan CH4. Biomaterial mengandung senyawa
selulosa. Reaksi pirolisis pada selulosa yaitu :
(C6H10O5)n 6nC + 5(H2O).
Sehingga dihasilkan arang atau karbon [8]. Pemanas yang digunakan dalam proses
pirolisis ialah pemanas konvensional, dan pemanas menggunakan microwave.
Menurut Menendez, dkk. dalam Abbas (2014), Pemanasan microwave adalah
alternatif yang muncul untuk menggantikan pemanas konvensional pada suhu tinggi
dalam penyusunan karbon aktif. Dalam pemanasan microwave, energi ditransfer
menjadi panas dengan perlakuan di dalam microwave, yaitu, pemanasan dari interior
material melalui dipolreorientasi dan mekanisme kerugian konduktif, sehingga tidak
ada kontak antara material dan sumber pemanas diperlukan [9]
Banyak penelitian mengenai pembuatan karbon aktif dengan menggunakan
pemanas microwave, diantaranya yaitu:
Bouchelta, dkk (2012), menggunakan
sampel dari limbah industri petrokimia dan aktivasi NaOH menggunakan daya
microwave 400W dan waktu 10 menit, [10], Abdul, dkk (2013), hasil terbaik yang di
peroleh menggunakan sampel kelapa sawit dengan aktivasi H3PO4 konsentrasi 60%.
Memanaskan sampel selama 10 menit di dalam microwave .[11], Hayyan Mao, dkk
(2015), menggunakan sampel kayu pinus dan jerami gandum dengan pengaktivasi
KOH [12].
Pembuatan karbon aktif dari tempurung kelapa menggunakan microwave telah
dilakukan oleh Li, dkk (2009) dan Yang, dkk (2010). Tetapi mereka menggunakan
proses aktivasi fisika dimana dilakukan variasi agen pengaktivasi dan waktu radiasi
[13]. Iqbaldin, dkk (2013), membuat karbon aktif menggunakan tempurung kelapa
dan microwave dan menggunakan KOH pengaktivasi dan diaplikasikan sebagai
elektroda super kapasitas [14]
Penelitian memanfaatkan tempurung kelapa dengan menggunakan microwave
dan pengaktivator kimia asam fosfat (H3PO4). Digunakan pemanas microwave
2
Universitas Sumatera Utara
karena hasil yang diperoleh lebih baik, hemat energi dan waktu. Sehingga dapat
diharapkan adsorben yang dihasilkan memiliki kualitas yang lebih baik dari
sebelumnya.
1.2
Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini yang menjadi masalah adalah :
1.
Bagaimana pengaruh waktu pirolisis terhadap yield karbon aktif yang
dihasilkan dengan aktifator
asam fosfat (H3PO4) menggunakan
microwave.
2.
Bagaimana bilangan iodine dan luas permukaan karbon aktif yang
dihasilkan dengan aktifator
asam fosfat (H3PO4) menggunakan
microwave.
3.
1.3
Bagaimana karakteristik karbon aktif yang dihasilkan.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini secara umum bertujuan untuk mengkaji pembuatan karbon aktif
dari tempurung kelapa dengan menggunakan aktivator H3PO4 dengan pemanas
microwave. Sedangkan secara khusus penelitian ini menentukan kondisi terbaik
dengan variable bebas yakni waktu pirolisis, konsentrasi H3PO4 dan daya microwave.
1.4
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut :
1. Memberikan informasi terutama dalam bidang penelitian dalam pembuatan
karbon aktif menggunakan proses pirolisis dengan pengaruh variasi daya
microwave dan waktu reaksi terbaik terhadap yield karbon aktif sehingga
dihasilkan yield karbon aktif yang terbaik.
2. Salah satu alternatif untuk pemanfaatan limbah lingkungan sebagai bahan baku
pembuatan karbon aktif.
3. Memberikan informasi tambahan bagi dunia industri tentang pemanfaatan
lanjutan limbah tempurung kelapa.
3
Universitas Sumatera Utara
1.5
Ruang Lingkup
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Penelitian Fakultas Teknik,
Departemen Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan baku yang
digunakan pada penelitian ini tempurung kelapa sebagai bahan baku. Variabel yang
digunakan adalah :
1. Variasi daya proses pirolisis adalah 600 W,800 W dan 1000 W
2. Variasi waktu pirolisis adalah 10,20,30,40,50 dan 60 menit.
3. Variasi konsentrasi H3PO4 adalah 40, 50 dan 60%
Uji-uji yang akan dilakukan dalam penelitian ini adalah :
1.
Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) di Laboratorium
Scanning Electron Microscope (SEM), Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung.
2.
Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) di Laboratorium
Penelitian, Fakultas Farmasi, Universitas Sumatera Utara.
3.
Analisis Bilangan Iodine di Laboratorium Penelitian, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
4
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mereduksi bahan pencemar di
udara adalah pemanfaatan limbah tempurung kelapa sebagai adsorben (media
penyerap) yang sebelumnya telah diubah menjadi arang aktif [1]. Arang aktif
tempurung kelapa mampu menurunkan konsentrasi berbagai polutan di udara
termasuk CO, NO, dan NOx karena memiliki daya adsorpsi dan luas permukaan
yang baik [1]. Tempurung kelapa kebanyakan hanya dianggap sebagai limbah
industry pengolahan kelapa, ketersediaannya yang melimpah dianggap masalah
lingkungan, namun renewable, dan murah [2]. Padahal arang tempurung kelapa ini
masih dapat diolah lagi menjadi produk yang mempunyai nilai ekonomis tinggi yaitu
sebagai karbon aktif atau arang aktif [3].
Pembuatan karbon aktif ini merupakan proses gabungan antara kimia dan
fisika dengan perendaman aktivator dan pemanasan dengan injeksi nitrogen pada
suhu tinggi yang bertujuan memperbanyak pori dan membuat porositas baru
sehingga karbon aktif mempunyai daya serap tinggi [4]. Karbon aktif adalah arang
yang diproses sedemikian rupa sehingga mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi
terhadap bahan yang berbentuk larutan atau uap. Arang aktif dapat dibuat dari bahan
yang mengandung karbon baik organik atau anorganik, tetapi yang biasa beredar di
pasaran berasal dari tempurung kelapa, kayu dan batubara. Pada umumnya arang
aktif digunakan sebagai bahan penyerap dan penjernih [5].
Pada proses adsorpsi, ion atau senyawa yang diserap tertahan pada
permukaan partikel penyerap sedangkan proses pengikatan berlangsung sampai di
dalam partikel penyerap disebut sebagai proses absorpsi. Daya serap yang terjadi
dalam arang aktif terdapat tiga tahap yaitu: zat terserap pada arang aktif bagian luar,
kemudian menuju pori-pori arang, dan terjerap pada dinding bagian dalam arang
aktif. Menurut IUPAC, karbon aktif diklasifikasikan berdasarkan ukuran porinya
menjadi mikropori (diameter 50 nm) [6].
1
Universitas Sumatera Utara
Salah satu proses yang digunakan untuk pembuatan karbon aktif adalah
menggunakan proses pirolisis. Pirolisis yaitu pemanasan pada kondisi bebas oksigen.
Dalam proses pirolisis umumnya adalah mendegradasi suatu senyawa yang terdapat
dalam suatu material untuk memecahnya menjadi senyawa-senyawa parsial [7]. Pada
proses pirolisis menghasilkan arang atau karbon dan gas, secara umum gas yang
terbentuk antara lain H2, CO, H2O, dan CH4. Biomaterial mengandung senyawa
selulosa. Reaksi pirolisis pada selulosa yaitu :
(C6H10O5)n 6nC + 5(H2O).
Sehingga dihasilkan arang atau karbon [8]. Pemanas yang digunakan dalam proses
pirolisis ialah pemanas konvensional, dan pemanas menggunakan microwave.
Menurut Menendez, dkk. dalam Abbas (2014), Pemanasan microwave adalah
alternatif yang muncul untuk menggantikan pemanas konvensional pada suhu tinggi
dalam penyusunan karbon aktif. Dalam pemanasan microwave, energi ditransfer
menjadi panas dengan perlakuan di dalam microwave, yaitu, pemanasan dari interior
material melalui dipolreorientasi dan mekanisme kerugian konduktif, sehingga tidak
ada kontak antara material dan sumber pemanas diperlukan [9]
Banyak penelitian mengenai pembuatan karbon aktif dengan menggunakan
pemanas microwave, diantaranya yaitu:
Bouchelta, dkk (2012), menggunakan
sampel dari limbah industri petrokimia dan aktivasi NaOH menggunakan daya
microwave 400W dan waktu 10 menit, [10], Abdul, dkk (2013), hasil terbaik yang di
peroleh menggunakan sampel kelapa sawit dengan aktivasi H3PO4 konsentrasi 60%.
Memanaskan sampel selama 10 menit di dalam microwave .[11], Hayyan Mao, dkk
(2015), menggunakan sampel kayu pinus dan jerami gandum dengan pengaktivasi
KOH [12].
Pembuatan karbon aktif dari tempurung kelapa menggunakan microwave telah
dilakukan oleh Li, dkk (2009) dan Yang, dkk (2010). Tetapi mereka menggunakan
proses aktivasi fisika dimana dilakukan variasi agen pengaktivasi dan waktu radiasi
[13]. Iqbaldin, dkk (2013), membuat karbon aktif menggunakan tempurung kelapa
dan microwave dan menggunakan KOH pengaktivasi dan diaplikasikan sebagai
elektroda super kapasitas [14]
Penelitian memanfaatkan tempurung kelapa dengan menggunakan microwave
dan pengaktivator kimia asam fosfat (H3PO4). Digunakan pemanas microwave
2
Universitas Sumatera Utara
karena hasil yang diperoleh lebih baik, hemat energi dan waktu. Sehingga dapat
diharapkan adsorben yang dihasilkan memiliki kualitas yang lebih baik dari
sebelumnya.
1.2
Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini yang menjadi masalah adalah :
1.
Bagaimana pengaruh waktu pirolisis terhadap yield karbon aktif yang
dihasilkan dengan aktifator
asam fosfat (H3PO4) menggunakan
microwave.
2.
Bagaimana bilangan iodine dan luas permukaan karbon aktif yang
dihasilkan dengan aktifator
asam fosfat (H3PO4) menggunakan
microwave.
3.
1.3
Bagaimana karakteristik karbon aktif yang dihasilkan.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini secara umum bertujuan untuk mengkaji pembuatan karbon aktif
dari tempurung kelapa dengan menggunakan aktivator H3PO4 dengan pemanas
microwave. Sedangkan secara khusus penelitian ini menentukan kondisi terbaik
dengan variable bebas yakni waktu pirolisis, konsentrasi H3PO4 dan daya microwave.
1.4
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut :
1. Memberikan informasi terutama dalam bidang penelitian dalam pembuatan
karbon aktif menggunakan proses pirolisis dengan pengaruh variasi daya
microwave dan waktu reaksi terbaik terhadap yield karbon aktif sehingga
dihasilkan yield karbon aktif yang terbaik.
2. Salah satu alternatif untuk pemanfaatan limbah lingkungan sebagai bahan baku
pembuatan karbon aktif.
3. Memberikan informasi tambahan bagi dunia industri tentang pemanfaatan
lanjutan limbah tempurung kelapa.
3
Universitas Sumatera Utara
1.5
Ruang Lingkup
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Penelitian Fakultas Teknik,
Departemen Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan baku yang
digunakan pada penelitian ini tempurung kelapa sebagai bahan baku. Variabel yang
digunakan adalah :
1. Variasi daya proses pirolisis adalah 600 W,800 W dan 1000 W
2. Variasi waktu pirolisis adalah 10,20,30,40,50 dan 60 menit.
3. Variasi konsentrasi H3PO4 adalah 40, 50 dan 60%
Uji-uji yang akan dilakukan dalam penelitian ini adalah :
1.
Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) di Laboratorium
Scanning Electron Microscope (SEM), Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung.
2.
Karakterisasi Fourier Transform Infra Red (FTIR) di Laboratorium
Penelitian, Fakultas Farmasi, Universitas Sumatera Utara.
3.
Analisis Bilangan Iodine di Laboratorium Penelitian, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
4
Universitas Sumatera Utara