BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Pembuatan Karbon Aktif dari Kulit Salak (Salacca edulis) dengan Impregnasi Asam Fosfat (H3PO4)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 KULIT BUAH SALAK (SALACCA EDULIS)

  Buah salak(Salacca zalacca Reinw) berasal dari Asia Tenggara.Buah salak berbentuk seperti telur dan kulit buah berwarna coklat.Buah seperti nanas, buah per dan aroma seperti pisang.Salak (Salacca zalacca) merupakan salah satu jenis buah yang paling penting di Indonesia.Salak mempunyai berat hingga 70 g pada tahap pematangan.Buah salak mengandung tiga bagian pada biji mencakup dengan daging putih. Sebagian besar buah salak dikonsumsi dengan segar dan beberapa diolah menjadi jus, buah kaleng dan selai [2]. Buah Salak adalah spesiespohon palem(keluargaArecaceae) asli Indonesia dan Malaysia.Buahtumbuh dalam kelompokdi dasartelapak tangan, danjuga dikenal sebagaisalakkarena kulitbersisikcoklat kemerahan.Ada sekitar18varietasSalaksedang dikembangkan ditingkat komersialdi Indonesia [14].

  Salak Sidempuan sudah lama dikenal, bahkan jauh sebelum adanya salak pondoh.Salak pondoh sendiri adalah jenis salak varietas unggul yang diintroduksi oleh pemerintah untuk dikembangkan masyarakat.Salak pondoh ini berkembang pesat di lereng gunung Merapi di Kabupaten Sleman, DI Yogyakarta.Salak pondoh sendiri baru mulai dikembangkan pada tahun 1980an. Salak Sidempuan adalah salah satu tanaman asli Indonesia yang tumbuh subur di lereng Gunung Lubuk Raya. Sentra produksi Salak Sidempuan sangat luas yang meliputi Kecamatan Angkola Barat, Kecamatan Angkola Timur, Kecamatan Angkola Selatan, Kecamatan Marancar dan Kecamatan Sayur Matinggi[15].Tabel 2.1 merupakan data produksi salak yang dihasilkan di Padang Sidempuan.

Tabel 2.1 Produksi Salak di Sekitar Padang Sidempuan (Tapanuli Selatan)

  No Kecamatan Luas tanam (Ha) Produksi (ton)

  1 Angkola Barat 17.666 397.485

  2 Angkola Selatan 466 10.485

  3 AngkolaTimur 436 9.810

  4 Marancar 363 8.168 Salak pada umumnya merupakan tanaman berumah dua contohnya jenis

  Salaccawallichiana

  C. Martius dengan sinonim Salacca rumphii Wallich ex Blume, tanaman salak ini tersebar di Thailand, dan Salacca sumatrana Becc.dari Sumatra. Salacca zalacca berumah satu atau dua, salak ini mempunyai 2 varietas yaitu Salacca zalacca var. zalacca berumah dua dari Jawa dan Salacca zalacca var. amboinensis (Becc.)[16]. Buah salak mempunyai bentuk bulat lebih atau kurangdari2,5-10cmx5 - 8cm. Buahberkembangdalam ketat, tandan bulat.

  Merekaditutupi dengan sisikdiatursecara rutinberasaldari kulitbuah(pericarp) memberikanbuahpenampilankulit ular.Buaharomatikmelampirkanlembut, pulp transculentdenganrasasebanding dengankombinasiapel, nenas danpisang.Buahmengandung1 sampai 3benihkehitaman, yang diameter sekitar 1cm. Pohonsalaksawithanya1,5-5m, sangatberduri, daunberkembang daripermukaan tanah. Salakmerupakantanaman di bawahlantaikhasyang tumbuh direndahtanahhutan hujan tropis dinegara-negara AsiaTenggaraIndonesia danlainnya [17].

  Kulit yang masih segar atau yang baru dilepas umumnya mengandung air, karbohidrat, mineral dan protein. Kadar air dalam kulit salak cukup tinggi sedangkan karbohidrat dan protein sangat sedikit.Tabel 2.2 merupakan data kandungan salak.

Tabel 2.2 Kandungan Salak[3]

  No Jenis Salak Kadar Air Karbohidrat Protein

  1 Salak Pondok 74,67% 3,8% 0,565%

  2. Salak Gading 30,06% 5,5% 1,815% Komposisi tersebut menyebabkan kulit mudah rusak, oleh karena itu perlu diawetkan dulu sebelum proses pengolahan. Proses pengawetan secara umum bertujuan untuk mengubah kulit yang mudah rusak oleh aktivitas mikroorganisme, kimiawi atau fisik menjadi kulit yang lebih tahan [3].

2.2 KARBON AKTIF

  Karbon berpori merupakan karbon dalam bentuk amorf yang mempunyai luas permukaan yang besar dan daya serap yang tinggi.Luas permukaan merupakan sifat fisis yang paling penting dari karbon berpori, sehingga memungkinkan dijadikan sebagai bahan adsorben.Material ini dibuat dari pirolisis prekursor karbon organik, polimer alam maupun polimer sintetis yang kemudian diaktifkan untuk memperbesar surface areanya [18].Karbon aktif sangat banyak digunakan dalam skala industri sebagai adsorben dalam purifikasi atau pemisahan gas dan cairan dan juga sebagai katalis dan katalis pedukung [19].Karbon aktif tersedia dalam bentuk bubuk dan granular. Karbon aktif merupakan mikrokristal, tidak berbentuk seperti grafit pada material karbon yang disiapkan dari jenis karbon amorf material dasar menjadi proses industri yang tinggi dalam kadar porositas. Karbon aktif terutama terdiri dari atom karbon yang berbentuk silang tidak beraturan menghubungkan lembaran aromatik menggantikan yang acak dengan heteroatom yang lain, diantaranya oksigen yang tergantung kepada bahan dasarnya. Klasifikasi pada ukuran pori direkomendasikan oleh IUPAC sering digunakan jarak pada gambaran ukuran pori seperti pada gambar 2.1 dibawah ini.

  Mikropori d < 2 nm Mesopori 2 nm < d < 50 nm Makropori d > 50 nm

Gambar 2.1 Struktur Karbon Aktif [20]

  Sruktur pori karbon aktif umunya dikombinasi antara mikropori, mesopori dan kombinasi makropori yang sama[22]. Karbon aktif sering digunakan untuk mengurangi kontaminan organik, partikel kimia organik sintetis, tapi karbon aktif juga efektif untuk mengurangi kontaminan inorganik seperti radon-222, merkuri, dan logam beracun lainnya.Ukuran partikel dan luas permukaan merupakan hal yang penting dalam karbon aktif.Ukuran partikel karbon aktif mempengaruhi kecepatan adsorpsi, tetapi tidak mempengaruhi kapasitas adsorpsi yang berhubungan dengan luas permukaan karbon. Luas permukaan total mempengaruhi kapasitas adsorpsi total sehingga meningkatkan efektifitas karbon aktif dalam penyisihan senyawa organik dalam air buangan. Ukuran partikel tidak terlalu mempengaruhi luas permukaan total sebagian besar meliputi pori-pori partikel karbon. Struktur pori-pori karbon aktif mempengaruhi perbandingan antara luas permukaan dan ukuran partikel. Struktur pori adalah faktor utama dalam proses adsorpsi. Distribusi ukuran pori menentukan distribusi molekul yang masuk dalam partikel karbon untuk di adsorp [10]. Tabel 2.2 dibawah ini merupakan standar kualitas karbon aktif menurut SNI 06-3730-1995.

Tabel 2.3 Standar kualitas karbon aktif menurut SNI 06-3730-1995[21,23]

  Persyaratn Kualitas Uraian

  Butiran Serbuk Bagian yang hilang pada

  Maks. 15 Maks. 25 pemanasan 950 °C Konsentrasi air Maks. 4,5 Maks. 15 Konsentrasi abu Maks. 2,5 Maks. 15 Daya serap terhadap

  ≥760 mg/g ≥760 mg/g Larutan I

  2

  2

  2 Luas permukaan 300 sampai 3500 m /g 300 sampai 3500m /g

2.3 Adsorpsi

  Adsorpsi merupakan reaksi reversible konsentrasi larutan. Adsorbat terjerap ke dalam luas permukaan adsorben[24]. Peristiwa adsorpsi merupakan suatu fenomena permukaan, yaitu terjadinya penambahan konsentrasi komponen tertentu pada permukaan antara dua fase.Adsorpsi dapat dibedakan menjadi adsorpsi fisis (physical adsorption) dan adsorpsi kimia (chemical adsorption). Secara umum adsorpsi fisis mempunyai gaya intermolekular yang relatif lemah, sedangkan pada adsorpsi kimia terjadi pembentukan ikatan kimia antara molekul adsorbat dengan molekul yang terikat pada permukaan adsorben [25]. Adsorpsi biasanya digunakan untuk penghilangan ion logam dari berbagai limbah industri.Adsorben mempunyai banyak jenis diantaranya, karbon aktif merupakan yang paling banyak digunakan untuk menghilangkan kromium dari larutan encer karena mempuyai poros, adsorp yang tinggi dan murah [26].Mekanisme adsorpsi terjadi didalam mikropori dengan mekanisme volume filling [27].

  Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut (soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan kimia-fisika antara substansi dengan penyerapanya.

  Proses perlekatan dapat saja terjadi antara cairan dan gas, padatan, atau cairan lain. Adsorpsi terhadap air buangan mempunyai tahapan proses seperti berikut

  1. Transfer molekul-molekul adsorbat menuju lapisan film yang mengelilingi adsorban.

  2. Difusi adsorbat melalui lapisan film (film diffusion).

  3. Difusi adsorbat melalui kapiler atau pori-pori dalam adsorban (proses pore diffusion)

  4. Adsorpsi adsorbat pada permukaan adsorban.

  Molekul yang berukuran besar dapat menutup jalan masuk ke dalam

  micropore sehingga membuat area permukaan yang tersedia untuk mengadsorp

  menjadi sia-sia.Karena bentuk molekul yang tidak beraturan dan pergerakan molekul yang konstan, pada umumnya molekul yang lebih kecil dapat menembus kapiler yang ukurannya lebih kecil juga. Adsorpsi merupakan proses masuknya molekul ke dalam pori-pori, menyebabkan proses adsorpsi bergantung pada karakteristik fisik karbon aktif dan ukuran molekul adsorbat. Ada dua macam pori dalam partikel karbon aktif yaitu micropore dan macropore [10].

  Faktor-faktor yang mempengaruhi adsorpsi antara lain: a. Waktu kontak dan pengocokan

  Waktu kontak yang cukup diperlukan untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi. Jika fase cair yang berisi adsorben dalam keadaan diam, maka difusi adsorbat melalui permukaan adsorben akan lambat. Maka diperlukan pengocokan untuk mempercepat adsorpsi.

  b.

  Luas permukaan adsorben Luas permukaan adsorben sangat berpengaruh terutama untuk tersedianya tempat adsorpsi.Luas permukaan adsorben semakin besar maka semakin besar pula adsorpsi yang dilakukan.

  c.

  Kemurnian adsorben

  Kemurnian adsorben dapat ditingkatkan melalui aktivasi.Adsorben buatan biasanya lebih sering digunakan daripada adsorben alam, karena kemurnian adsorben buatan lebih tinggi.

  d.

  Ukuran molekul adsorbat Ukuran molekul adsorbat menentukan batas kemampuannya melewati ukuran pori adsorben. Kecepatan adsorpsi menurun seiring dengan kenaikan ukuran partikel.

  e.

  Temperatur Reaksi pada adsorpsi biasanya yang terjadi secara eksotermis. Kecepatan adsorpsi akan naik pada temperatur yang lebih rendah dan akan turun pada temperatur lebih tinggi.

  f. pH larutan

  Pengaruh pH pada proses adsorpsi merupakan fenomena kompleks, antara lain menyebabkan perubahan sifat permukaan adsorben, sifat molekul adsorbat dan perubahan komposisi larutan.

  g.

  Agitasi Jika agitasi yang terjadi antara partikel karbon dengan cairan relatif kecil, permukaan film dari liquid sekitar partikel akan menjadi tebal dan difusi film akan terbatas [10].

  h.

  Konsentrasi adsorbat Adsorpsi akan meningkat dengan kenaikan konsentrasi adsorbat. Adsorpsi akan tetap jika terjadi kesetimbangan antara konsentrasi adsorbat yang diserap dengan dengan konsentrasi adsorben yang tersisa dalam larutan [26].

2.4 PROSES PEMBUATAN KARBON AKTIF

  Banyak material yang mengandung karbon yang terdapat seperti (hewan, tanaman, berasal dari mineral) dengan konsentrasi yang tinggi karbon dapat diubah menjadi karbon aktif (menggunakan kedua bahan kimia atau metode aktivasi gas). Bahan baku yang paling umum adalah kayu, arang, kulit kacang, kulit coklat dan batubara, lignin, gambut, tulang dan limbah pabrik kertas (lignin), polimer sintetis seperti PVC, digunakan untuk pembuatan karbon aktif. Karbon aktif yang diperoleh dari kayu keras lebih baik untuk adsorpsi daripada kayu lunak, seperti pinewood karena arang yang diperoleh sangat tidak stabil dan mudah hancur. Pemilihan metode aktivasi juga tergantung pada bahan awal dan apakah berupa padatan rendah atau padatan tinggi, karbon yang diinginkan bubuk atau butiran[24]. Secara umum proses pembuatan karbon aktif terdiri dari proses yaitu;

  2.4.1 Proses Fisika

  Pengubahan menjadikarbon aktif pertama kali menggunakangas.Hal ini umumnya dilakukandengan menggunakan salah satuatau kombinasi dariproses berikut: a.

  Karbonisasi: Materialdengankandungan karbonyangdi pirolisispada suhuantara600-900°C, dalam ketiadaanoksigen(biasanya dalam suasana inertdengangasseperti argonatau nitrogen)

  b. bahan bakuatau Aktivasi/Oksidasi: bahankarbonisasidioksidasiatmosfer(karbon monoksida, oksigen, atausteam) pada suhu di atas250°C, biasanya dalam kisaransuhu600- 1200°C [28].

  2.4.2 Proses Kimia

  Pada proses aktifasi kimia dilakukan satu tahap yaitu sebelum karbonisasi, bahan baku diimpregnasi dengan bahan kimia tertentu. Bahan kimia biasanya yang digunakan yaitu asam, basa kuat atau garam (asam fosfat, kalium hidroksida, natrium hidroksida, amonium klorida). Kemudian, bahan bakuyang telah di aktifasi dikarbonisasi pada suhu yang lebih rendah (450-900 °C). Hal ini diyakini bahwa langkah karbonisasi/ aktivasi berlangsung bersamaan dengan aktivasi kimia.Aktivasi kimia lebih disukai daripada aktivasi fisik karena suhu yang lebih rendah dan waktu yang diperlukan lebih singkat untuk bahan pengaktifan [28].

  Berbagai keunggulan cara aktivasi kimiawi dibandingkan dengan aktivasi fisik diantaranya adalah

  1. Pada proses aktivasi kimiawi, di dalam penyiapannya sudah terdapat zat kimia pengaktif sehingga proses karbonisasi sekaligus proses aktivasi karbon yang terbentuk sehingga metode ini sering disebut juga metode aktivasi satu langkah (one-step activation)

  2. Aktivasi kimiawi biasanya terjadi pada suhu lebih rendah dari pada metode aktivasi fisik

3. Efek dehydrating agent dapat memperbaiki pengembangan pori di dalam struktur karbon.

  4. Produk dengan menggunakan metode ini lebih banyak jika dibandingkan dengan aktivasi secara fisik. Berbagai aktivator kimiawi telah digunakan dalam pembuatan karbon aktif, diantaranya adalah asam fosfat, kalium hidroksida, seng klorida, dan kalium karbonat [29].

2.5 PROSES AKTIFASI DENGAN IMPREGNASI ASAM FOSFAT

  Impregnasi karbon aktif dengan berbagai mineral dan senyawa organik telah dipaparkan oleh penelitian-penelitian terdahulu. Karbon aktif tidak hanya memiliki karbon, tapi juga sejumlah kecil ikatan kimia atom O dan H dalam bentuk berbagai gugus fungsi yang biasanya memberikan sifat asam pada padatan karbon, ditambah kandungan mineral yang biasanya ditandai dengan abu atau residu setelah pengarangan [28]. Aktivasikimiaadalah metodesatu-langkah yang digunakanuntuk pembuatankarbonaktif, bahan aktivasi kimia yang dapat digunakansepertiZnCl

  2 , H

  3 PO 4 , KOH, NaOH, K

  2 CO 3 danH

  2 SO

  4

  [30].Dibandingkan dengan ZnCl , H PO lebih disukai karena ZnCl dapat

  2

  3

  4

  2

  merugikan lingkungan sekitar.Asam fosfat sangat luas digunakan dalam rasio impregnasi.Asam fosfat sangat banyak digunakan dalam studi pada pembuatan karbon aktif khususnya pada pengaruh konsentrasi pada larutan impregnasi dan suhu peendaman pada struktur porinya. Hal ini dikarenakan karakter kepolaran H

  3 PO 4 dan kontrol pada fisika dan proses interaksi kimia menjadi penting dalam

  larutan dan konsentrasi larutan mungkin merupakan factor utama dalam proses aktifasi selama impregnasi[8]. Aktivator H PO sangat baik dalam mengikat

  3

  4

  senyawa-senyawa tar sisa karbonisasi didalam karbon aktif. Inilah yang menyebabkan rerata jejari pori pada adsorben karbon aktif cangkang sawit aktivasi kimia memilki ukuran yang lebih besar dibanding dengan karbon aktif komersial. Hal ini dikarenakan dengan hilangnya senyawa-senyawa pengotor di dalam karbon aktif menyebabkan rerata jari pori akan semakin besar sehingga di dalam adsorben karbon aktif tersebut tidak ada senyawa penggangu dalam proses adsorpsi[31].

  Masalah korosi dan recovery ZnCl

  2 tidak efisien juga dibandingkan

  dengan H

  3 PO

4 . Selain itu karbon yang diperoleh menggunakanZnCl

2 tidak bisa

  digunakan dalam bidang farmasi dan industri makanan sebab dapat mengkontaminasi produk. Karena karakter H

  3 PO 4 sangat polar dan kontrol

  interaksi fisika dan kimia terjadi sebagian besar pada larutan dan dengan lapisan bawah pengolahan selama impregnasi, konsentrasi larutan menjadi faktor utama dari proses aktivasi [32]. Asam fosfatmenghasilkanmodifikasiyang lebih baik daripadaasamlain untukstruktur botani tersebutdengan merembes, pembengkakan danmemecahkan ikatanmaterial lignoselulosa [28]. Deposisi bahan kimia impregnasi pada permukaan internal karbon aktif yang sesuai dapat mengoptimalkan sifat yang ada pada karbon aktif untuk kemisorpsi polutan gas tertentu memberikan sinergisme antara bahan kimia dan karbon . Biasanya, distribusi homogen dari agen memenuhi permukaan internal tanpa ada pemblokiran mikro pori dan makro pori dianggap penting untuk menjaga agen impregnasi untuk reaktan [33]. Penambahan asam fosfat dengan organik membentuk fosfat dan polifosfat yang dapat memecah biopolimer [13]

  Aktifasi dengan menggunakan H PO telah dilakukan oleh Hassan, at al.,

  

3

  4

  (2011). Proses pembuatan karbon aktif dilakukan dengan menggunakan bahan baku daun palm kemudian diimpregnasikan dengan larutan H

  3 PO 4 dengan

  berbagai variasi konsentrasi. Seabanyak 5gsampeldaun palemdandicampur dengan15mldari0%, 20%, 40%, 60%, dan80% H

  3 PO 4 masing-

  masing.Kemudiansampeldiimpregnasidalammuffle furnacepada 100°Cselama 2jam, dankemudian diikutioleh aktivasiselama 3 jam pada400°Cmasihdalam tungku. Sampelsiap dicuci dilakukanuntuk membersihkankandungan asamdarikarbon aktif.Prosespencuciandilanjutkan sampaipH7tercapai. Sampelkemudiandikeringkan dalamovenpada suhu 110 °Cuntuk menghilangkankadar airapapun. Kondisi optimum yang diperolehnya yaitu pada

  2 konsentrasi 60% dengan luas permukaan 1139 m /g [34].

  Nik, at al., (2006) melakukan penelitian pembuatan karbon aktif dari limbah palm oil shell dan karakterisasi adsorpsinya. Variasi konsentrasi aktifator o

  adalah 10 C selama 2 jam.

• – 30%. Proses karbonisasi dilakukan pada suhu 500 Hasil penelitian menunjukkan bahwa kondisi optimum karbon aktif mikropori dengan luas permukaan pori dan volume pori berada pada 20% larutan H

  2 SO

  4

  pada 24 jam dan pada konsentrasi aktifator 30% H

  3 PO 4 [19].

2.6 ANALISA EKONOMI PEMBUATAN KARBON AKTIF

  Buah salak(Salacca zalacca Reinw) berasal dari Asia Tenggara. Indonesia merupakan penghasil buah salak terbesar yaitu 1.035.407 ton/tahun[1]. Konsumsi karbon aktif dunia semakin meningkat setiap tahunnya, misalkan pada tahun 2007 mencapai 300.000 ton/tahun. Sedangkan negara besar seperti Amerika kebutuhan perkapitanya mencapai 0,4 kg per tahun dan Jepang berkisar 0,2 kg per tahun[35]. Buangan industri merupakan sumber utama bermacam jenis polusi logam di dalam sungai.Ada berbagai metodeuntuk menghilangkanlogam berattermasukpresipitasikimia,filtrasimembran, ion exchanger, ekstraksicair atauelektrodialisis.Namun, metode initidak banyak digunakankarenabiaya yang tinggi dankelayakan yang rendah untukindustri skala kecil[9].Hal ini berdampak pada harga karbon aktif yang semakin kompetitif.Di pasaran dalam negeri harga karbon aktif antara Rp 6.500/kg sampai Rp 15.000/kg tergantung pada kualitasnya. Bahkan di pasaran internasional karbon aktif dengan bilangan iodine lebih besar 1.000 mg/g dapat mencapai 20 dolar Amerika per kilonya[34].

  Bilangan Iodin yang dihasilkan dari penelitian ini mencapai 888,3 mg/g maka akan diambil contoh perhitungan estimasi biaya bahan baku adsorben karbon aktif sebagai berikut :

   Kulit salak @ 12gram = Rp 200,00

   Asam fosfat @ Rp 850/mL = Rp 19.975,00

• @Rp 20.000 = Rp 20.000,00 Total = Rp 40.175,00 Selain ditinjau dari segi bahan baku maka perlu juga ditinjau dari tempat dan peralatan. Bahan baku adsorben berupa limbah kulit salak, jadi tidak

   Nitrogen

  2

  diperlukan biaya bahan baku.Luas ruangan yang dibutuhkan sekitar 50 m maka berikut adalah estimasi biaya tempat :

  2

  2

  50 m

  X Rp 100.000,-/m = Rp 5.000.000,00 Maka estimasi total biaya yang diperlukan untuk pembuatan adsorben karbon aktif adalah sebagai berikut: 1. = Rp 40.175,00

  Biaya Bahan Baku 2. = Rp 5.000.000,00

  Biaya Tempat Total = Rp 5.040.175,00 Karbon aktif yang dihasilkan dalam proses ini sebesar 2,93 gram.

  Setelah dilihat analisis biaya pada masing-masing pembuatan adsorben karbon aktif dan kulit salak yang diaktivasi secara kimia lebih disukai daripada aktivasi fisik karena suhu yang lebih rendah dan waktu yang diperlukan lebih singkat untuk bahan pengaktifan [28].Berbagai keunggulan cara aktivasi kimiawi dibandingkan dengan aktivasi fisik diantaranya adalah pada proses aktivasi kimiawi, di dalam penyiapannya sudah terdapat zat kimia pengaktif sehingga proses karbonisasi sekaligus proses aktivasi karbon yang terbentuk sehingga metode ini sering disebut juga metode aktivasi satu langkah (one-step activation). Luas permukaan yang dihasilkan dengan aktivasi kimia lebih bagus dibandingkan dengan aktivasi termal.Aktivasi kimiawi biasanya terjadi pada suhu lebih rendah dari pada metode aktivasi fisik.Efek dehydrating agent dapat memperbaiki pengembangan pori di dalam struktur karbon. Produk dengan menggunakan metode ini lebih banyak jika dibandingkan dengan aktivasi secara fisik[34].