Pembuatan Karbon Aktif Dari Cangkang Buah Karet (Hevea brasilliensis) Dengan Aktivator H3PO4 dan Aplikasinya Sebagai Penjerap Pb(II)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
CANGKANG BUAH KARET (Hevea brasilliensis) SEBAGAI
ADSORBEN
Adsorpsi merupakan proses yang menunjukkan kemampuan adsorbat untuk
menempel pada bahan penjerap. Penerapan proses adsorpsi yaitu pada pemisahan
polutan terlarut atau untuk mengambil kembali bahan yang bernilai memiliki nilai
lebih namun berjumlah sedikit pada suatu campuran [5]. Proses adsorpsi terjadi
pada permukaan suatu zat padat yang berkontak dengan suatu larutan dimana
terjadi akumulasi molekul-molekul larutan pada permukaan zat padat tersebut
[16].
Secara umum proses penggumpalan substansi terlarut yang ada dalam
larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan
kimia-fisika antara substansi terlarut (adsorbat) dengan penyerapnya (adsorben)
disebut dengan proses adsorpsi. Proses interaksi dapat saja terjadi antara cairan
dan gas, padatan atau cairan lain. Ikatan Van der waals menyebabkan terjadinya
adsorpsi fisika dan zat terlarut akan dapat diadsorpsi jika ikatan tarik antar
molekul adsorbat dengan adsorben lebih besar dari ikatan antara molekul zat
terlarut dengan pelarutnya [17]. Sedangkan adsorpsi kimia merupakan hasil dari
reaksi kimia pertukaran elektron antara adsorben dengan molekul adsorbat [18].
Penggunaan
bahan-bahan
alami
bahan
lignoselulosa
menunjukkan
kemampuan biomassa untuk mengikat logam berat dari dalam larutan melalui
langkah-langkah metabolisme atau kimia-fisika [4], dan termasuk penghilangan
racun dari bahan-bahan yang berbahaya [5]. Proses pengolahan ini dapat
dilakukan di tempat, sehingga tidak diperlukan proses pemindahan bahan yang
akan diolah. Keuntungan lain dalam pemakaian bahan alam ini adalah bahan baku
yang melimpah, murah, proses pengolahan yang efisien [4].
Tanaman karet (Havea brasiliensis) berasal dari Negara Brazil, memiliki
struktur botani sebagai berikut; Divisi: Spermatophyta, Subdivus: Angiospermae,
Kelas: Dicotyledonae, Ordo: Euphorbiales, Famili: Euphorbiaceae, Genus:
Hevea, Spesies: Hevea Brasiliensis [19].
47
Universitas Sumatera Utara
Sumatera merupakan salah satu wilayah sentra karet di Indonesia, termasuk
Provinsi Sumatera Utara. Cangkang buah karet belum sepenuhnya dimanfaatkan
oleh masyarakat atau pemerintah [20], padahal tanaman karet menghasilkan
cangkang buah yaitu sebesar 500 kg/Ha/tahun [7].
Perkebunan karet Indonesia merupakan yang terluas di dunia. Pada tahun
2012 luasnya mencapai 3,4 juta Ha, atau 15 % dari luas total perkebunan di
Indonesia seluas 22,76 juta ha. Indonesia dengan produksi sebesar 3,04 juta ton
merupakan negara produsen karet alam terbesar ke-2 di dunia. Dengan produksi
tersebut, ekspornya mencapai sebesar 2,4 juta Ton [21]. Karet merupakan
komoditas ekspor yang mampu memberikan kontribusi dalam upaya peningkatan
devisa Indonesia [22].
Cangkang buah karet adalah jenis limbah pertanian yang menyebabkan
masalah seperti pencemaran lingkungan di perkebunan karet [23]. Limbah hasil
pertanian sebagai produk dan hasil samping dari pertanian dan pengolahan produk
pertanian merupakan bahan baku besar sumber daya yang kurang dimanfaatkan
yang dapat digunakan langsung atau diubah oleh proses kimia yang cukup
sederhana untuk meningkatkan nilai dari segi ekonominya. Cangkang buah karet
adalah produk sampingan pertanian pohon karet. Selama ini pemanfaatan dari
pohon karet sebagian besar berfokus pada lateks karet dengan sedikit perhatian
terhadap potensi produk sampingnya. Sementara kemajuan yang signifikan telah
dibuat dalam pengembangan dan pemanfaatan memodifikasi produk pertanian di
dalam air dan pengolahan air limbah [6].
Gambar 2.1 Cangkang Buah Karet
48
Universitas Sumatera Utara
Adapun komposisi kimia dari cangkang buah karet diberikan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Komposisi cangkang buah karet [7]
Konstituen
Presentase
(%)
Hemiselulosa
18
Selulosa
61,04
Lignin
21,60
Tabel 2.1 menunjukkan bahwa cangkang buah karet memiliki kandungan
lignin sebesar 21,60 dan Selulosa 61,04 %. Lignin dan selulosa adalah senyawa
organik yang termasuk dalam golongan senyawa polimer. Polisakarida yang
memiliki gugus –OH sehingga dapat digunakan sebagai adsorben.
Molekul-
molekul selulosa seluruhnya membentuk linear dan mempunyai kecenderungan
kuat membentuk ikatan-ikatan hidrogen intramolekul dan intermolekul. Ikatan
hidrogen intramolekul terbentuk antara gugus-gugus –OH dari unit-unit glukosa
yang berdekatan dalam molekul selulosa yang sama. Karena interaksinya dengan
komponen adsorbat maka struktur yang mengandung selulosa mempunyai potensi
yang cukup besar untuk dijadikan sebagai adsorben [24]. Kualitas karbon aktif
dapat dinilai berdasarkan persyaratan (SNI) 06–3730-1995 pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Standar Karbon Aktif (SNI) 06–3730-1995 [9]
Jenis Persyaratan
Parameter
Kadar Air
Mak. 15 %
Kadar Abu
Mak. 10 %
Kadar Zat Menguap
Mak. 25 %
Karbon aktif yang berasal dari biomassa lignoselulosa telah banyak
digunakan untuk menghilangkan polutan, karbon aktif lignoselulosa relatif
ekonomis, karena bersumber dari limbah sektor pertanian. Berbagai sektor
industri menggunakan karbon aktif lignoselulosa dalam operasi seperti kimia
proses, penyulingan minyak bumi, pengolahan air limbah. Struktur dasar dari
semua biomassa lignoselulosa terdiri dari tiga polimer alam utama selulosa
(C6H10O5)x, hemiselulosa (C5H8O4)m dan lignin [C9H10O3.(OCH3)0,9-1,7]n [25].
49
Universitas Sumatera Utara
Lignin yang terdiri sekitar 27% konten dari biomassa memiliki kapasitas
adsorpsi yang rendah dalam bentuk alami. Tapi potensi sebagai karbon aktif dapat
ditingkatkan di bawah kondisi yang tepat [25]. Lignin adalah sebuah mononuklear
polimer aromatik yang ditemukan di dinding sel tertentu pada biomassa, terutama
jenis kayu, yang berfungsi untuk semen serat selulosa dalam tanaman. Lignin
adalah produk limbah yang paling terbukti memiliki potensi yang cukup besar
dalam bidang adsorpsi dan persiapan karbon aktif. Bahkan, lignin kaya karbon
dan struktur molekul mirip dengan batubara bituminous yang membuatnya
menjadi prekursor yang cocok untuk produksi karbon aktif [26].
Beberapa penelitian pembuatan karbon aktif dari bahan lignoselulosa
dengan aktivasi kimia dan fisika serta aplikasinya dalam menjerap ion logam berat
Nama
(Tahun)
Tabel 2.3 Aplikasi karbon aktif dalam penjerapan logam
Temperatur
Karbonisasi
Prekursor Polutan
Aktivasi
(oC)
qmax mg/g
Tajar et al
(2009) [27]
Nut shell
Kadmium
H3PO4
500
90 - 120
Dastgheib &
Rockstraw
(2001) [28]
Pecan
shell
Tembaga
Air, H3PO4
300 -500
33 - 40
Álvarez et al
(2007) [29]
Pinus
sylvestris
sawdust
450 - 650
0,5 - 1,83
Giraldo &
MorenoPiraján (2008)
[30]
African
palm pit
Timah
HNO3, steam
900
4,7 - 15,2
Giraldo &
MorenoPiraján (2008)
[30]
Cane
sugar
bagasse
Timah
HNO3, steam
900
6,4 - 13,7
Sulaiman
(2012) [13]
Cangkang
buah karet
Pb(II),
Zn(II)
and
Fe(II)
NaOH dan
HCl sebagai
pengatur pH
80 0 C
14.41mg/g
Untuk
Pb(II)
HCl,
Kromium H3PO4,NaOH,
H2SO4
Dari tabel 2.3 dapat dilihat kapasitas penjerapan ion logam berat oleh karbon
aktif diperoleh hasil yang berbeda-beda berkisar antara 10 - 300 mg/g. Pada
50
Universitas Sumatera Utara
penelitian yang dilakukan Sulaiman (2012) kapasitas penjerapan maksimum bagi
logam Pb (II) dengan hasil 14.41mg/g, proses yang dilakukan menggunakan
karbon aktif dari cangkang buah karet pada pH 2 memberikan hasil yang terbaik
[13].
2.2
PIROLISIS
Karbonisasi adalah konversi pirolitik yang dilakukan pada pemanasan
lambat imana produk akhir yang diinginkan adalah arang. Konversi pirolitik
biomassa lignoselulosa menghasilkan tiga fase yaitu char (arang ), minyak (tar)
dan gas. Arang adalah residu karbon dari proses karbonisasi setelah menghapus
elemen non-karbon seperti hidrogen dan oksigen dari bahan awal, memiliki
struktur berpori dasar yang dapat digunakan untuk karbon aktif. Char memiliki
kandungan karbon tetap tinggi yang membuatnya menjadi prekursor cocok untuk
pembuatan karbon aktif [25].
Hasil penelitian yang dilakukan oleh Ekebafe, et al, 2012 menunjukkan
bahwa suhu pemanasan mempengaruhi sifat cangkang buah karet, sehingga
menunjukkan bahwa karbonisasi memiliki pengaruh signifikan pada karakteristik
pengolahan cangkang buah karet [6]. Para peneliti menegaskan bahwa lignin
merupakan sumber utama arang, sedangkan selulosa dan hemiselulosa adalah
fraksi volatile biomassa. Dekomposisi lignin dimulai pada suhu rendah (160-170
0
C) dan proses ini berlanjut pada tahap rendah sampai suhu tinggi 900 0C.
Komponen kedua yang mulai terurai adalah hemiselulosa, diikuti oleh selulosa.
Dekomposisi dari dua polimer ini berlangsung pada kisaran suhu 200-400 0C.
Oleh karena itu, komposisi biomassa lignoselulosa adalah parameter penting
dalam pembentukan arang [25].
Pirolisis merupakan teknologi penting yang banyak dipilih karena teknologi
lebih ramah bagi lingkungan dibandingkan dengan metode insinerasi, hal ini
dikarenakan
tidak adanya oksigen yang dipasok ke dalam sistem. Dengan
demikian memiliki kecenderungan yang rendah menghasilkan dioksin dan furan,
serta sumber energi
dapat dicapai dari banyak pilihan teknologi sehingga
membuatnya semakin efisien [31].
51
Universitas Sumatera Utara
2.3
AKTIVASI KIMIA DENGAN H3PO4
Asam fosfat karbon aktif menunjukkan kapasitas tukar kation yang luar
biasa, yang telah terbukti sangat efektif adsorben untuk menghilangkan ion logam
berat konsentrasi rendah dari fase cair, dan kapasitas kimia dan termal ini stabil.
Oleh karena itu, asam fosfat karbon aktif telah banyak digunakan untuk
menghilangkan ion logam berat dari fase air [32].
Dalam 20 tahun terakhir, aktivasi bahan lignoselulosa dengan H3PO4 telah
menjadi metode paling banyak digunakan untuk pembuatan skala besar karbon
aktif karena penggunaan ini reagen memiliki beberapa keunggulan lingkungan
seperti biaya energi yang rendah, kemudahan recovery, dan yield karbon yang
tinggi. H3PO4 memainkan dua peran selama persiapan pembuatan karbon aktif : i)
H3PO4 dapat berfungsi sebagai wadah karena volume yang ditempati oleh asam
fosfat di interior dari prekursor diaktifkan bertepatan dengan volume mikropori
dari karbon yang diaktifkan; ii) H3PO4 bertindak sebagai katalis asam untuk
mempromosikan pembelahan ikatan, hidrolisis, dehidrasi dan kondensasi, disertai
dengan silang reaksi antara asam fosfat dan biopolymer [33].
Keuntungan dari aktivasi kimia adalah biaya energi yang rendah, karena
biasanya terjadi pada suhu lebih rendah dibandingkan aktivasi fisika, dan
tingginya hasil yang didapatkan. Aktivasi kimia dengan H3PO4 telah menjadi
yang paling umum untuk mengaktifkan agen karena kemampuannya untuk
memberikan porositas dari lebar bahan awal sangat baik, toksikologi bagi
lingkungan yang lebih rendah jika dibandingkan dengan ZnCl 2 dan temperatur
kerja rendah dibandingkan dengan aktivasi KOH [34]. Berikut adalah beberapa
keuntungan aktivasi kimia [33]:
a) Karbon aktif yang diperoleh hanya dalam satu langkah percobaan
b) Waktu aktivasi singkat
c) Suhu pirolisis rendah (600 sampai 800 ºC)
d) Kontrol yang lebih baik dari sifat tekstural
e) Hasil (Yield) tinggi
f) Luas permukaan tinggi dari microporosit karbon aktif
2.4
ISOTERM ADSORPSI
52
Universitas Sumatera Utara
Isoterm adsorpsi adalah hubungan yang menunjukkan distribusi adsorben
antara fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat
kesetimbangan pada temperatur tertentu. Ada tiga pola isoterm adsorpsi, yaitu
isoterm adsorpsi Freundlich, Langmuir, dan BET (Brunauer, Emmet dan Teller).
Akan tetapi, karena adsorpsi fase padat cair dimana molekul atau ion pada
permukaan padatan umumnya terbatas pada lapisan satu molekul (monolayer)
maka adsorpsi tersebut mengikuti persamaan adsorpsi Freundlich dan atau
Langmuir [35].
2.4.1. Isoterm Freundlich
Pendekatan isoterm adsorpsi dijelaskan oleh Freundlich. Menurut
Freundlich, q adalah berat zat terlarut per gram adsorben dan c adalah konsentrasi
zat terlarut dalam larutan. Dari konsep tersebut dapat diturunkan persamaan
sebagai berikut:
(2.1)
Persamaan diatas disusun menjadi persamaan garis lurus sebagai berikut :
(2.2)
Dengan memplot log q vs log C didapat persamaan garis lurus dimana
slope garis tersebut adalah 1/n dengan interceptnya adalah log k [36].
2.4.2. Isoterm Langmuir
Model ini mendefinisikan bahwa kapasitas adsorpsi maksimum terjadi
akibat adanya lapisan tunggal (monolayer) adsorbat di permukaan adsorben.
Pendekatan Langmuir meliputi lima asumsi mutlak, yaitu:
1. Molekul yang teradsorpsi berkelakuan ideal
2. Molekul yang teradsorpsi dibatasi sampai lapisan monolayer.
3. Permukaan adsorbat homogen, artinya afinitas setiap kedudukan ikatan untuk
molekul sama.
4. Tidak ada antaraksi lateral antar molekul adsorbat.
5. Molekul yang teradsorpsi terlokalisasi, artinya mereka tidak bergerak pada
permukaan.
53
Universitas Sumatera Utara
Dimana persamaan Langmuir ditulis sebagai berikut:
(2.3)
Persamaan diatas disusun menjadi persamaan garis lurus:
[
]
(2.4)
Dengan memplot 1/q vs 1/C didapat persamaan garis lurus dimana slope garis
tersebut adalah
2.5
dengan interceptnya adalah
[36].
PENCEMARAN LINGKUNGAN
Cukup banyak golongan logam yang sama sekali belum diketahui
manfaatnya bagi organisme perairan, seperti Hg, Cd, dan Pb. Timbal adalah jenis
logam lunak berwarna coklat kehitaman dan mudah dimurnikan memiliki nomor
atom (NA) 82 dengan berat atom (BA) 207,2. Kebanyakan logam toksik seperti
logam Pb lebih tersebar luas dibanding kebanyakan logam toksik. Peningkatan
kadar Pb di lingkungan disebabkan meningkatnya penggunaan logam ini di dalam
pertambangan, logam ini berbentuk sulfida logam (PbS). Logam Pb banyak
digunakan dalam industri misalnya sebagai zat tambahan bahan bakar dan juga
pigmen timbal dalam cat [1]. Limbah ini akan menyebabkan pencemaran serius
terhadap lingkungan jika kandungan logam berat yang terdapat di dalamnya
melebihi ambang batas dan akan menyebabkan penyakit serius bagi manusia
apabila terakumulasi di dalam tubuh. Timbal (Pb) merupakan salah satu pencemar
yang dipermasalahkan karena bersifat sangat toksik dan tergolong sebagai bahan
buangan beracun dan berbahaya [35].
Timbal adalah logam yang merusak saraf makhluk hidup dan merupakan
satu dari tiga logam berbahaya lainnya yaitu (Cd dan Hg) menyebabkan
meningkatnya risiko kesehatan pada manusia dan hewan karena pencemaran air
oleh logam berat karena toksisitas yang berbahaya dan potensi bahaya besar untuk
lingkungan dan organisme [2]. Limbah Pb ini dapat berasal dari aktivitas manusia
yang berasal dari pembuangan sampah kapal-kapal, penambangan logam di laut
dan lain-lain dan yang berasal dari darat seperti limbah perindustrian.
Kadar normal dan maksimum logam berat yang masuk ke lingkungan laut
dapat dilihat pada Tabel 2.3
54
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Kadar normal dan maksimum logam berat yang masuk ke lingkungan
laut
Unsur
Kadar (ppm)
Normal (A)
Maksimum (B)
Kadmium
0,00011
0,01
Timbal
0,00003
0,01
Tembaga
0,002
-
Tabel 2.4 menunjukkan kadar normal dan maksimum logam berat yang
masuk ke lingkungan laut. Kadar maksimum logam timbal yang dibolehkan
masuk ke lingkungan laut adalah 0,01 ppm dimana kadar normalnya jauh dibawah
dari nilai tersebut yaitu 0,00003 ppm [1].
55
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
CANGKANG BUAH KARET (Hevea brasilliensis) SEBAGAI
ADSORBEN
Adsorpsi merupakan proses yang menunjukkan kemampuan adsorbat untuk
menempel pada bahan penjerap. Penerapan proses adsorpsi yaitu pada pemisahan
polutan terlarut atau untuk mengambil kembali bahan yang bernilai memiliki nilai
lebih namun berjumlah sedikit pada suatu campuran [5]. Proses adsorpsi terjadi
pada permukaan suatu zat padat yang berkontak dengan suatu larutan dimana
terjadi akumulasi molekul-molekul larutan pada permukaan zat padat tersebut
[16].
Secara umum proses penggumpalan substansi terlarut yang ada dalam
larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan
kimia-fisika antara substansi terlarut (adsorbat) dengan penyerapnya (adsorben)
disebut dengan proses adsorpsi. Proses interaksi dapat saja terjadi antara cairan
dan gas, padatan atau cairan lain. Ikatan Van der waals menyebabkan terjadinya
adsorpsi fisika dan zat terlarut akan dapat diadsorpsi jika ikatan tarik antar
molekul adsorbat dengan adsorben lebih besar dari ikatan antara molekul zat
terlarut dengan pelarutnya [17]. Sedangkan adsorpsi kimia merupakan hasil dari
reaksi kimia pertukaran elektron antara adsorben dengan molekul adsorbat [18].
Penggunaan
bahan-bahan
alami
bahan
lignoselulosa
menunjukkan
kemampuan biomassa untuk mengikat logam berat dari dalam larutan melalui
langkah-langkah metabolisme atau kimia-fisika [4], dan termasuk penghilangan
racun dari bahan-bahan yang berbahaya [5]. Proses pengolahan ini dapat
dilakukan di tempat, sehingga tidak diperlukan proses pemindahan bahan yang
akan diolah. Keuntungan lain dalam pemakaian bahan alam ini adalah bahan baku
yang melimpah, murah, proses pengolahan yang efisien [4].
Tanaman karet (Havea brasiliensis) berasal dari Negara Brazil, memiliki
struktur botani sebagai berikut; Divisi: Spermatophyta, Subdivus: Angiospermae,
Kelas: Dicotyledonae, Ordo: Euphorbiales, Famili: Euphorbiaceae, Genus:
Hevea, Spesies: Hevea Brasiliensis [19].
47
Universitas Sumatera Utara
Sumatera merupakan salah satu wilayah sentra karet di Indonesia, termasuk
Provinsi Sumatera Utara. Cangkang buah karet belum sepenuhnya dimanfaatkan
oleh masyarakat atau pemerintah [20], padahal tanaman karet menghasilkan
cangkang buah yaitu sebesar 500 kg/Ha/tahun [7].
Perkebunan karet Indonesia merupakan yang terluas di dunia. Pada tahun
2012 luasnya mencapai 3,4 juta Ha, atau 15 % dari luas total perkebunan di
Indonesia seluas 22,76 juta ha. Indonesia dengan produksi sebesar 3,04 juta ton
merupakan negara produsen karet alam terbesar ke-2 di dunia. Dengan produksi
tersebut, ekspornya mencapai sebesar 2,4 juta Ton [21]. Karet merupakan
komoditas ekspor yang mampu memberikan kontribusi dalam upaya peningkatan
devisa Indonesia [22].
Cangkang buah karet adalah jenis limbah pertanian yang menyebabkan
masalah seperti pencemaran lingkungan di perkebunan karet [23]. Limbah hasil
pertanian sebagai produk dan hasil samping dari pertanian dan pengolahan produk
pertanian merupakan bahan baku besar sumber daya yang kurang dimanfaatkan
yang dapat digunakan langsung atau diubah oleh proses kimia yang cukup
sederhana untuk meningkatkan nilai dari segi ekonominya. Cangkang buah karet
adalah produk sampingan pertanian pohon karet. Selama ini pemanfaatan dari
pohon karet sebagian besar berfokus pada lateks karet dengan sedikit perhatian
terhadap potensi produk sampingnya. Sementara kemajuan yang signifikan telah
dibuat dalam pengembangan dan pemanfaatan memodifikasi produk pertanian di
dalam air dan pengolahan air limbah [6].
Gambar 2.1 Cangkang Buah Karet
48
Universitas Sumatera Utara
Adapun komposisi kimia dari cangkang buah karet diberikan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Komposisi cangkang buah karet [7]
Konstituen
Presentase
(%)
Hemiselulosa
18
Selulosa
61,04
Lignin
21,60
Tabel 2.1 menunjukkan bahwa cangkang buah karet memiliki kandungan
lignin sebesar 21,60 dan Selulosa 61,04 %. Lignin dan selulosa adalah senyawa
organik yang termasuk dalam golongan senyawa polimer. Polisakarida yang
memiliki gugus –OH sehingga dapat digunakan sebagai adsorben.
Molekul-
molekul selulosa seluruhnya membentuk linear dan mempunyai kecenderungan
kuat membentuk ikatan-ikatan hidrogen intramolekul dan intermolekul. Ikatan
hidrogen intramolekul terbentuk antara gugus-gugus –OH dari unit-unit glukosa
yang berdekatan dalam molekul selulosa yang sama. Karena interaksinya dengan
komponen adsorbat maka struktur yang mengandung selulosa mempunyai potensi
yang cukup besar untuk dijadikan sebagai adsorben [24]. Kualitas karbon aktif
dapat dinilai berdasarkan persyaratan (SNI) 06–3730-1995 pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Standar Karbon Aktif (SNI) 06–3730-1995 [9]
Jenis Persyaratan
Parameter
Kadar Air
Mak. 15 %
Kadar Abu
Mak. 10 %
Kadar Zat Menguap
Mak. 25 %
Karbon aktif yang berasal dari biomassa lignoselulosa telah banyak
digunakan untuk menghilangkan polutan, karbon aktif lignoselulosa relatif
ekonomis, karena bersumber dari limbah sektor pertanian. Berbagai sektor
industri menggunakan karbon aktif lignoselulosa dalam operasi seperti kimia
proses, penyulingan minyak bumi, pengolahan air limbah. Struktur dasar dari
semua biomassa lignoselulosa terdiri dari tiga polimer alam utama selulosa
(C6H10O5)x, hemiselulosa (C5H8O4)m dan lignin [C9H10O3.(OCH3)0,9-1,7]n [25].
49
Universitas Sumatera Utara
Lignin yang terdiri sekitar 27% konten dari biomassa memiliki kapasitas
adsorpsi yang rendah dalam bentuk alami. Tapi potensi sebagai karbon aktif dapat
ditingkatkan di bawah kondisi yang tepat [25]. Lignin adalah sebuah mononuklear
polimer aromatik yang ditemukan di dinding sel tertentu pada biomassa, terutama
jenis kayu, yang berfungsi untuk semen serat selulosa dalam tanaman. Lignin
adalah produk limbah yang paling terbukti memiliki potensi yang cukup besar
dalam bidang adsorpsi dan persiapan karbon aktif. Bahkan, lignin kaya karbon
dan struktur molekul mirip dengan batubara bituminous yang membuatnya
menjadi prekursor yang cocok untuk produksi karbon aktif [26].
Beberapa penelitian pembuatan karbon aktif dari bahan lignoselulosa
dengan aktivasi kimia dan fisika serta aplikasinya dalam menjerap ion logam berat
Nama
(Tahun)
Tabel 2.3 Aplikasi karbon aktif dalam penjerapan logam
Temperatur
Karbonisasi
Prekursor Polutan
Aktivasi
(oC)
qmax mg/g
Tajar et al
(2009) [27]
Nut shell
Kadmium
H3PO4
500
90 - 120
Dastgheib &
Rockstraw
(2001) [28]
Pecan
shell
Tembaga
Air, H3PO4
300 -500
33 - 40
Álvarez et al
(2007) [29]
Pinus
sylvestris
sawdust
450 - 650
0,5 - 1,83
Giraldo &
MorenoPiraján (2008)
[30]
African
palm pit
Timah
HNO3, steam
900
4,7 - 15,2
Giraldo &
MorenoPiraján (2008)
[30]
Cane
sugar
bagasse
Timah
HNO3, steam
900
6,4 - 13,7
Sulaiman
(2012) [13]
Cangkang
buah karet
Pb(II),
Zn(II)
and
Fe(II)
NaOH dan
HCl sebagai
pengatur pH
80 0 C
14.41mg/g
Untuk
Pb(II)
HCl,
Kromium H3PO4,NaOH,
H2SO4
Dari tabel 2.3 dapat dilihat kapasitas penjerapan ion logam berat oleh karbon
aktif diperoleh hasil yang berbeda-beda berkisar antara 10 - 300 mg/g. Pada
50
Universitas Sumatera Utara
penelitian yang dilakukan Sulaiman (2012) kapasitas penjerapan maksimum bagi
logam Pb (II) dengan hasil 14.41mg/g, proses yang dilakukan menggunakan
karbon aktif dari cangkang buah karet pada pH 2 memberikan hasil yang terbaik
[13].
2.2
PIROLISIS
Karbonisasi adalah konversi pirolitik yang dilakukan pada pemanasan
lambat imana produk akhir yang diinginkan adalah arang. Konversi pirolitik
biomassa lignoselulosa menghasilkan tiga fase yaitu char (arang ), minyak (tar)
dan gas. Arang adalah residu karbon dari proses karbonisasi setelah menghapus
elemen non-karbon seperti hidrogen dan oksigen dari bahan awal, memiliki
struktur berpori dasar yang dapat digunakan untuk karbon aktif. Char memiliki
kandungan karbon tetap tinggi yang membuatnya menjadi prekursor cocok untuk
pembuatan karbon aktif [25].
Hasil penelitian yang dilakukan oleh Ekebafe, et al, 2012 menunjukkan
bahwa suhu pemanasan mempengaruhi sifat cangkang buah karet, sehingga
menunjukkan bahwa karbonisasi memiliki pengaruh signifikan pada karakteristik
pengolahan cangkang buah karet [6]. Para peneliti menegaskan bahwa lignin
merupakan sumber utama arang, sedangkan selulosa dan hemiselulosa adalah
fraksi volatile biomassa. Dekomposisi lignin dimulai pada suhu rendah (160-170
0
C) dan proses ini berlanjut pada tahap rendah sampai suhu tinggi 900 0C.
Komponen kedua yang mulai terurai adalah hemiselulosa, diikuti oleh selulosa.
Dekomposisi dari dua polimer ini berlangsung pada kisaran suhu 200-400 0C.
Oleh karena itu, komposisi biomassa lignoselulosa adalah parameter penting
dalam pembentukan arang [25].
Pirolisis merupakan teknologi penting yang banyak dipilih karena teknologi
lebih ramah bagi lingkungan dibandingkan dengan metode insinerasi, hal ini
dikarenakan
tidak adanya oksigen yang dipasok ke dalam sistem. Dengan
demikian memiliki kecenderungan yang rendah menghasilkan dioksin dan furan,
serta sumber energi
dapat dicapai dari banyak pilihan teknologi sehingga
membuatnya semakin efisien [31].
51
Universitas Sumatera Utara
2.3
AKTIVASI KIMIA DENGAN H3PO4
Asam fosfat karbon aktif menunjukkan kapasitas tukar kation yang luar
biasa, yang telah terbukti sangat efektif adsorben untuk menghilangkan ion logam
berat konsentrasi rendah dari fase cair, dan kapasitas kimia dan termal ini stabil.
Oleh karena itu, asam fosfat karbon aktif telah banyak digunakan untuk
menghilangkan ion logam berat dari fase air [32].
Dalam 20 tahun terakhir, aktivasi bahan lignoselulosa dengan H3PO4 telah
menjadi metode paling banyak digunakan untuk pembuatan skala besar karbon
aktif karena penggunaan ini reagen memiliki beberapa keunggulan lingkungan
seperti biaya energi yang rendah, kemudahan recovery, dan yield karbon yang
tinggi. H3PO4 memainkan dua peran selama persiapan pembuatan karbon aktif : i)
H3PO4 dapat berfungsi sebagai wadah karena volume yang ditempati oleh asam
fosfat di interior dari prekursor diaktifkan bertepatan dengan volume mikropori
dari karbon yang diaktifkan; ii) H3PO4 bertindak sebagai katalis asam untuk
mempromosikan pembelahan ikatan, hidrolisis, dehidrasi dan kondensasi, disertai
dengan silang reaksi antara asam fosfat dan biopolymer [33].
Keuntungan dari aktivasi kimia adalah biaya energi yang rendah, karena
biasanya terjadi pada suhu lebih rendah dibandingkan aktivasi fisika, dan
tingginya hasil yang didapatkan. Aktivasi kimia dengan H3PO4 telah menjadi
yang paling umum untuk mengaktifkan agen karena kemampuannya untuk
memberikan porositas dari lebar bahan awal sangat baik, toksikologi bagi
lingkungan yang lebih rendah jika dibandingkan dengan ZnCl 2 dan temperatur
kerja rendah dibandingkan dengan aktivasi KOH [34]. Berikut adalah beberapa
keuntungan aktivasi kimia [33]:
a) Karbon aktif yang diperoleh hanya dalam satu langkah percobaan
b) Waktu aktivasi singkat
c) Suhu pirolisis rendah (600 sampai 800 ºC)
d) Kontrol yang lebih baik dari sifat tekstural
e) Hasil (Yield) tinggi
f) Luas permukaan tinggi dari microporosit karbon aktif
2.4
ISOTERM ADSORPSI
52
Universitas Sumatera Utara
Isoterm adsorpsi adalah hubungan yang menunjukkan distribusi adsorben
antara fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat
kesetimbangan pada temperatur tertentu. Ada tiga pola isoterm adsorpsi, yaitu
isoterm adsorpsi Freundlich, Langmuir, dan BET (Brunauer, Emmet dan Teller).
Akan tetapi, karena adsorpsi fase padat cair dimana molekul atau ion pada
permukaan padatan umumnya terbatas pada lapisan satu molekul (monolayer)
maka adsorpsi tersebut mengikuti persamaan adsorpsi Freundlich dan atau
Langmuir [35].
2.4.1. Isoterm Freundlich
Pendekatan isoterm adsorpsi dijelaskan oleh Freundlich. Menurut
Freundlich, q adalah berat zat terlarut per gram adsorben dan c adalah konsentrasi
zat terlarut dalam larutan. Dari konsep tersebut dapat diturunkan persamaan
sebagai berikut:
(2.1)
Persamaan diatas disusun menjadi persamaan garis lurus sebagai berikut :
(2.2)
Dengan memplot log q vs log C didapat persamaan garis lurus dimana
slope garis tersebut adalah 1/n dengan interceptnya adalah log k [36].
2.4.2. Isoterm Langmuir
Model ini mendefinisikan bahwa kapasitas adsorpsi maksimum terjadi
akibat adanya lapisan tunggal (monolayer) adsorbat di permukaan adsorben.
Pendekatan Langmuir meliputi lima asumsi mutlak, yaitu:
1. Molekul yang teradsorpsi berkelakuan ideal
2. Molekul yang teradsorpsi dibatasi sampai lapisan monolayer.
3. Permukaan adsorbat homogen, artinya afinitas setiap kedudukan ikatan untuk
molekul sama.
4. Tidak ada antaraksi lateral antar molekul adsorbat.
5. Molekul yang teradsorpsi terlokalisasi, artinya mereka tidak bergerak pada
permukaan.
53
Universitas Sumatera Utara
Dimana persamaan Langmuir ditulis sebagai berikut:
(2.3)
Persamaan diatas disusun menjadi persamaan garis lurus:
[
]
(2.4)
Dengan memplot 1/q vs 1/C didapat persamaan garis lurus dimana slope garis
tersebut adalah
2.5
dengan interceptnya adalah
[36].
PENCEMARAN LINGKUNGAN
Cukup banyak golongan logam yang sama sekali belum diketahui
manfaatnya bagi organisme perairan, seperti Hg, Cd, dan Pb. Timbal adalah jenis
logam lunak berwarna coklat kehitaman dan mudah dimurnikan memiliki nomor
atom (NA) 82 dengan berat atom (BA) 207,2. Kebanyakan logam toksik seperti
logam Pb lebih tersebar luas dibanding kebanyakan logam toksik. Peningkatan
kadar Pb di lingkungan disebabkan meningkatnya penggunaan logam ini di dalam
pertambangan, logam ini berbentuk sulfida logam (PbS). Logam Pb banyak
digunakan dalam industri misalnya sebagai zat tambahan bahan bakar dan juga
pigmen timbal dalam cat [1]. Limbah ini akan menyebabkan pencemaran serius
terhadap lingkungan jika kandungan logam berat yang terdapat di dalamnya
melebihi ambang batas dan akan menyebabkan penyakit serius bagi manusia
apabila terakumulasi di dalam tubuh. Timbal (Pb) merupakan salah satu pencemar
yang dipermasalahkan karena bersifat sangat toksik dan tergolong sebagai bahan
buangan beracun dan berbahaya [35].
Timbal adalah logam yang merusak saraf makhluk hidup dan merupakan
satu dari tiga logam berbahaya lainnya yaitu (Cd dan Hg) menyebabkan
meningkatnya risiko kesehatan pada manusia dan hewan karena pencemaran air
oleh logam berat karena toksisitas yang berbahaya dan potensi bahaya besar untuk
lingkungan dan organisme [2]. Limbah Pb ini dapat berasal dari aktivitas manusia
yang berasal dari pembuangan sampah kapal-kapal, penambangan logam di laut
dan lain-lain dan yang berasal dari darat seperti limbah perindustrian.
Kadar normal dan maksimum logam berat yang masuk ke lingkungan laut
dapat dilihat pada Tabel 2.3
54
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4 Kadar normal dan maksimum logam berat yang masuk ke lingkungan
laut
Unsur
Kadar (ppm)
Normal (A)
Maksimum (B)
Kadmium
0,00011
0,01
Timbal
0,00003
0,01
Tembaga
0,002
-
Tabel 2.4 menunjukkan kadar normal dan maksimum logam berat yang
masuk ke lingkungan laut. Kadar maksimum logam timbal yang dibolehkan
masuk ke lingkungan laut adalah 0,01 ppm dimana kadar normalnya jauh dibawah
dari nilai tersebut yaitu 0,00003 ppm [1].
55
Universitas Sumatera Utara