Pembuatan Karbon Aktif Dari Tempurung Kelapa (Coconut Shell) Dengan Proses Pengaktifan Kimia H3PO4 Menggunakan Microwave
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tempurung Kelapa
Menurut Food and Agriculture Organization (FAO) Asia Pasifik mampu
menghasilkan 82 % dari produk kelapa di dunia, sedangkan 18 % sisanya diproduksi
atau dihasilkan oleh negara di Afrika dan Amerika Selatan. Penghasil kelapa di dunia
adalah 12 negara yaitu: India (13,01%), Indonesia (33,94%), Malaysia (3,93%),
Papua New Guinea (2,72%), Philipina (36,25%), Solomons Insland (0,70%), Sri
Langka (4,72%), Thailand (3,17%), Vanuatu (0,78%), Western Samoa (0,47%), F.S
Micronesia (0,16%), dan Palau (0,16%) [12]. Penggunaan arang tempurung kelapa
telah lama dilakukan dan telah menjadi bahan kajian lanjut untuk penelitian. Dari
kompossi kimia tempurung kelapa itu sendiri yang terdiri dari 74,3% C, 21.9%O,
0.2% Si, 1.4% K, 0.5% S, 1.7%P [13] menjadikannya berpeluang sebagai bahan
bakar dan sumber karbon aktif.
Tempurung kelapa memiliki kandungan atom-atom C, O, H, dan N. Materialmaterial organik ini mengandung gugus fungsional seperti hidroksil (R-OH), alkana
(R-(CH2)n-R’), karboksil (R-COOH), karbonil (R-CO-R’), ester (R-CO-O-R’),
gugus eter linear dan siklik (R-O-R’) dengan variasi jumlah [41].
Sebagian besar di pedesaan sabut dan tempurung kelapa dimanfaatkan untuk
bahan bakar, baik dalam bentuk tempurung kering atau arang tempurung. Beberapa
tahun terakhir ini tempurung kelapa juga sering digunakan sebagai alat peraga
edukatif (APE) seperti pada pelajaran biologi, matematika dan fisika, atau juga bisa
dipakai sebagai bahan pembuatan suvenir [15] Selain itu, kelapa menjadi produk
pertanian yang penting bagi negara-negara tropis di seluruh dunia sebagai sumber
energi baru - biofuel [6] .
2.2
Karbon aktif
Karbon aktif adalah arang yang diproses sedemikian rupa sehingga
mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi terhadap bahan yang berbentuk larutan
5
Universitas Sumatera Utara
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 [15]. Menurut Yin dan Wan daud dalam Asriningtyas (2014) beberapa
dekade terakhir, berbagai macam karbon aktif dibuat dari berbagai limbah pertanian
dan digunakan sebagai adsorben dengan harga yang murah untuk menghilangkan
jenis polutan yang berbeda dari limbah cair [16].
Karbon aktif memiliki daya adsorpsi tinggi dan spesifik, luas permukaan yang
besar, dan ukuran pori karbon aktif yang beraneka ragam [13]. Akan tetapi, ketahanan
mekanik dari karbon aktif relative rendah dibandingkan γ-alumina. Menurut Nailasa
dalam Hartini (2015), Berbagai bahan baku dari limbah pertanian dapat digunakan untuk
menghasilkan arang aktif yaitu bahan yang mengandung karbon, antara lain berbagai
jenis kayu, serbuk gergaji, kulit atau biji buah-buahan, tongkol jagung, tempurung
kelapa, sekam padi dan lain-lain [17].
Karbon aktif dapat dipergunakan untuk berbagai industri, antara lain yaitu
industri obat-obatan, makanan, minuman, pengolahan air (penjernihan air) dan lainlain. Hampir 70% produk karbon aktif digunakan untuk pemurnian dalam sektor
minyak kelapa, farmasi dan kimia [18]. Bahan baku yang dapat dibuat menjadi
karbon aktif adalah semua bahan yang mengandung karbon, baik yang berasal dari
tumbuh-tumbuhan, binatang ataupun barang tambang. Bahan-bahan tersebut adalah
berbagai jenis kayu, sekam padi, tulang binatang, batu-bara, tempurung kelapa, kulit
biji kopi. Bila bahan-bahan tersebut dibandingkan, tempurung kelapa merupakan
bahan terbaik yang dapat dibuat menjadi karbon aktif karena karbon aktif yang
terbuat dari tempurung kelapa memiliki mikropori yang banyak, kadar abu yang
rendah, kelarutan dalam air yang tinggi dan reaktivitas yang tinggi [19].
Struktur pori dari karbon aktif selalu mengandung mikropori, mesopori dan
makropori. Masing-masing pori ini mempunyai fungsi tertentu dalam proses
penyerapan. Mesopori mempunyai fungsi menangkap bahan yang diserap dan
sebagai jalan masuk menuju mikropori. Makropori mempunyai fungsi mempercepat
molekul-molekul adsorbat menujuporo-pori lebih kecil yang terletak lebih dalam.
Sedangkan pori-pori yang paling berperan pada adsorbsi adalah jenis mikropori [20]
6
Universitas Sumatera Utara
Untuk ukuran mikropori < 2 nm, mesopori 2 nm – 5 nm , dan makropori >50
nm [21]. Selain itu, lebih jauh terdapat pula ukuran supermikropori dengan ukuran
0,7 nm – 2 nm.
2.1 Skema Struktur Pori Karbon Aktif (a) Granular (b) Serat [22]
Karbon aktif dapat di sintesis dengan dua metode, dengan pengaktifan secara
kimia dan secara fisika. Dalam proses aktivasi secara kimia, bahan baku di
impregnasi dengan pengaktivasi kemudian diikuti dnegan proses pirolisis pada suhu
tinggi. Sedangkan metode fisika yaitu,metode aktivasi yang terdiri dari karbonisasi
bahan baku dalam keadaan inert [23].
Tabel 2.1 Standar Kualitas Karbon Aktif Menurut SNI 06-3730-1995
Prasyarat kualitas (%)
Uraian
Butiran
Serbuk
Maks. 15
Maks. 25
Konsentrasi air
Maks. 4,5
Maks. 15
Konsentrasi abu
Maks. 2,5
Maks. 10
Karbon aktif murni
Min. 80
Min. 65
Daya serap terhadap larutan I2
Min. 20
Min. 20
Bagian yang hilang pada
pemanasan 950°C
2.3 Proses Aktivasi
Sebelum menjadi karbon aktif, karbon harus melalui proses aktivasi untuk
memperbesar porositasnya. Umumnya, karbon aktif yang terbuat dari kulit jeruk
diaktivasi secara kimia, yaitu menggunakan asam dan basa [24].
7
Universitas Sumatera Utara
Proses aktifasi merupakan hal yang penting diperhatikan disamping bahan
baku yang digunakan. Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan
terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara
memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul- molekul permukaan
sehingga arang mengalami perubahan sifilt, baik fisika maupun kimia, yaitu luas
permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi [23]
Dasar dari proses aktivasi adalah memperesar ukuran pori-pori yang telah
terbentuk pada tahap karbonisasi, serta pembentukan pori-pori baru. Proses aktivasi
dibadi menjadi dua tahapan. Tahap pertama adalah menghilangkan karbon yang tidak
terorganisasi, dan sisa tar yang ada dalam pori-pori yang tidak hilang pada tahap
karbonisasi karena temperatur yang rendah. Karbon yang tidak terorganisasi dan tar
terdevolatilisasi bersama dengan gas pengaktif sehingga permukaan karbon aromatik
(permukaan luar dan permukaan pori-pori) bisa kontak langsung dengan gas
pengaktif. Pada tahap kedua, permukaan karbon aromatrikyang telah terekspos
terbakar oleh gas pengaktif sehingga pori-pori membesar, dan disertai dengan
pembentukan pori-pori baru [20].
Metoda aktifasi yang umum digunakan dalam pembuatan arang aktif adalah:
a. Aktifasi kimia: proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organic
denganpemakian bahan-bahan kimia
b. Aktifasi fisika: proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik
denganbantuan panas, uap dan CO2 [23]
Dalam aktifasi kimia, aktifator yang digunakan adalah bahan-bahan kimia
seperti: hidroksida ligam alkali garam-garam karbonat, klorida, sulfat, fosfat dari
logam alkali tanah dan khususnya ZnCl2 , asam-asam anorganik seperti H2SO4 dan
H3PO4 [25]
Untuk aktifasi fisika, biasanya arang dipanaskan didalam furnace pada
temperatur 800-900°C. Oksidasi dengan udara pada temperatur rendah, merupakan
reaksi eksoterm sehingga sulit untuk mengontrolnya. Sedangkan pemanasan dengan
uap atau CO2 pada temperatur tinggi merupakan reaksi endoterm, sehingga lebih
mudah dikontrol dan paling umum digunakan [23]
8
Universitas Sumatera Utara
2.4 Pirolisis
Pirolisis yaitu pemanasan pada kondisi bebas oksigen. Dalam proses pirolisis
umumnya adalah mendegradasi suatu senyawa-senyawa yang terdapat dalam suatu
material untuk memecahnya menjadi senyawa-senyawa parsial. Proses pirolisis dapat
dilakukan dengan reaktor pirolisis, furnace, dan microwave. Dalam suatu penelitian
yang sudah sering dilakukan adalah bertujuan untuk mengambil senyawa
hidrokarbon dalam suatu bentuk ikatan plastik. Senyawa turunan hidrokarbon
mempunyai kegunaan yang sangat banyak dan mencakup semua bidang kehidupan.
Hidrokarbon (minyak dan gas) mayoritas digunakan sebagai bahan bakar untuk
menghasilkan energi dan untuk memanaskan ruangan [7]. Proses pirolisis secara
umum sebagai berikut:
Biomaterial + pemanasan arang + gas
[6]
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 : (C 6H10O5)n 6nC + 5(H2O).
Sehingga dihasilkan arang atau karbon [8].
2.5
Microwave pirolisis
Pirolisis dapat digambarkan sebagai proses kimia dan termal dekomposisi
komponen organik dalam suasana bebas oksigen untuk menghasilkan char, minyak
dan gas. Pemanasan microwave telah digunakan untuk pirolisis biomassa , ban
bekas, kayu, karet, serpih minyak, kopi dan produksi bahan kimia lainnya. Aplikasi
microwave sangat luas. Oleh karena itu, banyak penelitian telah dilakukan dengan
desain yang berbeda untuk menyelidiki proses hasil dalam berbagai aplikasi kimia
[26].
Pada tahun 2000 Esveld dkk (dalam Farid,2013), merancang skala pilot terus
menerus (10 sampai 100kg/h) reaktor multimode microwave dan memodelkan unit
untuk bahan kering dan kimia bebas pelarut dalam reaksi esterifikasi (asam stearat
dengan stearil alkohol). Dalam studi mereka penyerapan microwave ditingkatkan
dengan menambahkan tanah liat (50 % berat) untuk sampel [26].
2.6
Sorpsi ( Daya Serap)
Sorpsi adalah proses penyerapan ion oleh partikel penyerap. Proses sorpsi
dibedakan menjadi dua yaitu adsorpsi dan absorpsi. Dinamakan proses adsorpsi jika
9
Universitas Sumatera Utara
ion atau senyawa yang diserap tertahan pada permukaan partikel penyerap dan proses
pengikatan berlangsung sampai di dalam partikel penyerap disebut sebagai proses
absorpsi [20].
Adsorpsi adalah molekul-molekul pada permukaan zat padat atau zat cair,
mempunyai gaya tarik ke arah dalam, karena tidak ada gaya-gaya lain yang
mengimbangi. Adanya gaya-gaya ini menyebabkan zat padat dan zat cair,
mempunyai gaya adsorpsi [21].
Pada adsorpsi gas di permukaan zat padat, terjadi kesetimbangan antara gas
yang terjerap dengan gas sisa. Daya serap zat padat terhadap gas tergantung dari
jenis adsorben, jenis gas, luas permukaan adsorben, temperatur gas dan tekanan gas.
Makin luas permukaan adsorben, makin banyak gas yang dapat diserap. Luas
permukaan sukar ditentukan, hingga biasanya daya serap dihitung tiap satuan massa
adsorben [27].
Beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap adsorpsi, yaitu : [23]
a. Sifat Adsorben
Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang
sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing-masing berikatan
secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar.
Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting
diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil
pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan
demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi,
dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Jumlah atau
dosis arang aktif yang digunakan juga diperhatikan.
b. Sifat Serapan
Banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh arang aktif tetapi kemampuan untuk
mengadsorpsi berbeda untuk masing-masing senyawa. Adsorpsi akan bertambah
besar sesuai dengan bertambahnya ukuran molekul serapan dari struktur yang
sama. Adsorpsi juga dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus fungsi, ikatan
rangkap, struktur rantai dari senyawa serapan.
10
Universitas Sumatera Utara
c. Temperatur
Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk menyelidiki temperatur pada saat
berlangsungnya proses. Karena tidak ada peraturan umum yang bias diberikan
mengenai
temperatur
yang
digunakan
dalam
adsorpsi.
Faktor
yang
mempenggaruhi temperatur proses adsorpsi adalah vikositas dan stabilitas thermal
senyawa serapan. Untuk senyawa volatil, adsorpsi dilakukan pada temperatur
kamar atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih kecil.
d. pH (Derajat Keasaman)
Untuk asam-asam organik adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan, yaitu
dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena kemampuan asam
mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya bila pH
asam organik dinaikkan yaitu dengan menambahkan alkali, adsorpsi akan
berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.
e. Waktu Kontak
Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk
mencapaikesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan
jumlah arang
yangdigunakan. Selain ditentukan oleh dosis arang aktif,
pengadukan juga mempengaruhi waktu kontak. Pengadukan dimaksudkan untuk
memberi kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan
senyawa serapan. Untuk larutan yang mempunyai vikositas tinggi dibutuhkan
waktu kontak yang lebih lama [23].
Adsorpsi ada dua jenis, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia. Pada
adsorpsifisika, adsorpsi disebabkan oleh gaya Van der Waals yang ada pada
permukaan adsorben.Sedangkan pada adsorpsi kimia, terjadi reaksi antara zat yang
diserap dan adsorben [28].
2.7
Pengaktifan dengan Asam Fosfat (H3PO4)
Bahan kimia asam posfat (H3PO4) atau yang biasa dikenal dengan asam
ortofosfat atau fosfat (V) asam adalah mineral anorganik yang dapat digunakan
sebagai bahan pengaktif yakni proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik
dengan penambahan bahan-bahan kimia, dimana bahan-bahan kimia yang lain yang
dapat digunakan sebagai pengaktif adalah HNO 3, sianida, Ca(OH)2, CaCl2,
11
Universitas Sumatera Utara
Ca3(PO4)2, NaOH, Na2(SO)4, SO2, ZnCl2, Na2CO3 dan uap air pada suhu tinggi [29].
Pada penelitian ini digunakan H3PO4 sebagai pengaktivasi sampel. Aktivasi kimia
dari bahan karbon oleh H3PO4 adalah teknik yang berguna untuk memperoleh karbon
aktif dengan distribusi ukuran pori yang diinginkan pada suhu rendah [30].
Menurut Girgis, dkk dalam Rajheswar (2012), pembuatan karbon aktif
dengan menggunakan aktivator asam fosfat akan menghasilkan karbon aktif yang
lebih baik dibandingkan dengan menggunakan asam yang lain [31].
Pembuatan karbon aktif dengan proses impregnasi H3PO4 menggunakan
microwave telah banyak digunakan, diantaranya ialah : Yacob, dkk (2013) dengan
menggunakan bahan baku kelapa sawit dan impregnasi asam fosfat (H3PO4) pada
konsentrasi 10-80%. Pada percobaan tersebut didapat hasil terbaik bahwa pada
konsentrasi asam fosfat 60%, dimana pada konsentrasi tersebut didapat luas
permukaan yang tinggi yaitu 630 m2 / g [11]. Hesas, dkk (2013) melakukan percoban
menggunakan sampel apel dan pulp apel dengan impregnasi H3PO4pada konsentrasi
85% dan menggunakan microwave dengan daya 550, 700, dan 1000 W, hasil yang
diperoleh dari percobaan tersebut di dapat bahwa pada daya microwave 700 W
perolehan BET yang di dapat lebih besar yaitu pada apel 1552 m2/g dan 1103 m2/g
pada pulp apel [32].
2.8
Pengujian Karakteristik Karbon Aktif
2.8.1 Karakterisasi Fourier Transform Infra-Red (FTIR)
Menurut Iguchi 1997, Jimenez, et.al. 1999, Kercher 2003, dalam Malik
(2013), Untuk mengetahui perubahan struktur kimia yang terjadi selama proses
aktivasi dilakukan analisis gugus fungsi dengan menggunakan spektrofotometri infra
merah (FTIR) [33]. Menurut Van de voort, 1994; Li et al., 2000; Ruiz et al., 2001;
Guillen and Cabo, 2002; Bendini et al., 2007, dalam Andina (2014), Metode
spektrofotometri FTIR juga telah digunakan untuk penentuan parameter stabilitas
minyak, diantaranya adalah penetapan bilangan peroksida dalam minyaknabati [34].
Hasil analisis FTIR menunjukkan bahwa permukaan arang aktif mengandung ikatan
C-O dan C-H [35]
12
Universitas Sumatera Utara
2.8.2
Uji SEM
Scanning Electron Microscopy (SEM), digunakan untuk mengamati
morfologi fisik permukaan sampel [32]. Selain itu analisis SEM digunakan untuk
mengetahui topografi arang aktif meliputi analisis permukaan dan tekstur arang aktif
yang terbentuk [36].
Cara kerja SEM adalah gelombang elektron yang dipancarkan electron gun
terkondensasi di lensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa
objektif. Scanning coil yang diberi energy menyediakan medan magnetik bagi sinar
elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron
sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor
backscatter. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas di
permukaan Cathode Ray Tube (CRT) sebagai topografi Gambar. [37].
2.8.3 Analisis Bilangan Iodine
Bilangan iodine merupakan parameter dasar paling penting digunakan untuk
karakterisasi karbon aktif. Iodine merupakan ukuran pada tingkat keaktifannya.
Bilangan iodine dapat digunakan sebagai pendekatan untuk luas permukaan dan
mikropori karbon aktif dengan presisi yang baik [38].
13
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tempurung Kelapa
Menurut Food and Agriculture Organization (FAO) Asia Pasifik mampu
menghasilkan 82 % dari produk kelapa di dunia, sedangkan 18 % sisanya diproduksi
atau dihasilkan oleh negara di Afrika dan Amerika Selatan. Penghasil kelapa di dunia
adalah 12 negara yaitu: India (13,01%), Indonesia (33,94%), Malaysia (3,93%),
Papua New Guinea (2,72%), Philipina (36,25%), Solomons Insland (0,70%), Sri
Langka (4,72%), Thailand (3,17%), Vanuatu (0,78%), Western Samoa (0,47%), F.S
Micronesia (0,16%), dan Palau (0,16%) [12]. Penggunaan arang tempurung kelapa
telah lama dilakukan dan telah menjadi bahan kajian lanjut untuk penelitian. Dari
kompossi kimia tempurung kelapa itu sendiri yang terdiri dari 74,3% C, 21.9%O,
0.2% Si, 1.4% K, 0.5% S, 1.7%P [13] menjadikannya berpeluang sebagai bahan
bakar dan sumber karbon aktif.
Tempurung kelapa memiliki kandungan atom-atom C, O, H, dan N. Materialmaterial organik ini mengandung gugus fungsional seperti hidroksil (R-OH), alkana
(R-(CH2)n-R’), karboksil (R-COOH), karbonil (R-CO-R’), ester (R-CO-O-R’),
gugus eter linear dan siklik (R-O-R’) dengan variasi jumlah [41].
Sebagian besar di pedesaan sabut dan tempurung kelapa dimanfaatkan untuk
bahan bakar, baik dalam bentuk tempurung kering atau arang tempurung. Beberapa
tahun terakhir ini tempurung kelapa juga sering digunakan sebagai alat peraga
edukatif (APE) seperti pada pelajaran biologi, matematika dan fisika, atau juga bisa
dipakai sebagai bahan pembuatan suvenir [15] Selain itu, kelapa menjadi produk
pertanian yang penting bagi negara-negara tropis di seluruh dunia sebagai sumber
energi baru - biofuel [6] .
2.2
Karbon aktif
Karbon aktif adalah arang yang diproses sedemikian rupa sehingga
mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi terhadap bahan yang berbentuk larutan
5
Universitas Sumatera Utara
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 [15]. Menurut Yin dan Wan daud dalam Asriningtyas (2014) beberapa
dekade terakhir, berbagai macam karbon aktif dibuat dari berbagai limbah pertanian
dan digunakan sebagai adsorben dengan harga yang murah untuk menghilangkan
jenis polutan yang berbeda dari limbah cair [16].
Karbon aktif memiliki daya adsorpsi tinggi dan spesifik, luas permukaan yang
besar, dan ukuran pori karbon aktif yang beraneka ragam [13]. Akan tetapi, ketahanan
mekanik dari karbon aktif relative rendah dibandingkan γ-alumina. Menurut Nailasa
dalam Hartini (2015), Berbagai bahan baku dari limbah pertanian dapat digunakan untuk
menghasilkan arang aktif yaitu bahan yang mengandung karbon, antara lain berbagai
jenis kayu, serbuk gergaji, kulit atau biji buah-buahan, tongkol jagung, tempurung
kelapa, sekam padi dan lain-lain [17].
Karbon aktif dapat dipergunakan untuk berbagai industri, antara lain yaitu
industri obat-obatan, makanan, minuman, pengolahan air (penjernihan air) dan lainlain. Hampir 70% produk karbon aktif digunakan untuk pemurnian dalam sektor
minyak kelapa, farmasi dan kimia [18]. Bahan baku yang dapat dibuat menjadi
karbon aktif adalah semua bahan yang mengandung karbon, baik yang berasal dari
tumbuh-tumbuhan, binatang ataupun barang tambang. Bahan-bahan tersebut adalah
berbagai jenis kayu, sekam padi, tulang binatang, batu-bara, tempurung kelapa, kulit
biji kopi. Bila bahan-bahan tersebut dibandingkan, tempurung kelapa merupakan
bahan terbaik yang dapat dibuat menjadi karbon aktif karena karbon aktif yang
terbuat dari tempurung kelapa memiliki mikropori yang banyak, kadar abu yang
rendah, kelarutan dalam air yang tinggi dan reaktivitas yang tinggi [19].
Struktur pori dari karbon aktif selalu mengandung mikropori, mesopori dan
makropori. Masing-masing pori ini mempunyai fungsi tertentu dalam proses
penyerapan. Mesopori mempunyai fungsi menangkap bahan yang diserap dan
sebagai jalan masuk menuju mikropori. Makropori mempunyai fungsi mempercepat
molekul-molekul adsorbat menujuporo-pori lebih kecil yang terletak lebih dalam.
Sedangkan pori-pori yang paling berperan pada adsorbsi adalah jenis mikropori [20]
6
Universitas Sumatera Utara
Untuk ukuran mikropori < 2 nm, mesopori 2 nm – 5 nm , dan makropori >50
nm [21]. Selain itu, lebih jauh terdapat pula ukuran supermikropori dengan ukuran
0,7 nm – 2 nm.
2.1 Skema Struktur Pori Karbon Aktif (a) Granular (b) Serat [22]
Karbon aktif dapat di sintesis dengan dua metode, dengan pengaktifan secara
kimia dan secara fisika. Dalam proses aktivasi secara kimia, bahan baku di
impregnasi dengan pengaktivasi kemudian diikuti dnegan proses pirolisis pada suhu
tinggi. Sedangkan metode fisika yaitu,metode aktivasi yang terdiri dari karbonisasi
bahan baku dalam keadaan inert [23].
Tabel 2.1 Standar Kualitas Karbon Aktif Menurut SNI 06-3730-1995
Prasyarat kualitas (%)
Uraian
Butiran
Serbuk
Maks. 15
Maks. 25
Konsentrasi air
Maks. 4,5
Maks. 15
Konsentrasi abu
Maks. 2,5
Maks. 10
Karbon aktif murni
Min. 80
Min. 65
Daya serap terhadap larutan I2
Min. 20
Min. 20
Bagian yang hilang pada
pemanasan 950°C
2.3 Proses Aktivasi
Sebelum menjadi karbon aktif, karbon harus melalui proses aktivasi untuk
memperbesar porositasnya. Umumnya, karbon aktif yang terbuat dari kulit jeruk
diaktivasi secara kimia, yaitu menggunakan asam dan basa [24].
7
Universitas Sumatera Utara
Proses aktifasi merupakan hal yang penting diperhatikan disamping bahan
baku yang digunakan. Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan
terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara
memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul- molekul permukaan
sehingga arang mengalami perubahan sifilt, baik fisika maupun kimia, yaitu luas
permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi [23]
Dasar dari proses aktivasi adalah memperesar ukuran pori-pori yang telah
terbentuk pada tahap karbonisasi, serta pembentukan pori-pori baru. Proses aktivasi
dibadi menjadi dua tahapan. Tahap pertama adalah menghilangkan karbon yang tidak
terorganisasi, dan sisa tar yang ada dalam pori-pori yang tidak hilang pada tahap
karbonisasi karena temperatur yang rendah. Karbon yang tidak terorganisasi dan tar
terdevolatilisasi bersama dengan gas pengaktif sehingga permukaan karbon aromatik
(permukaan luar dan permukaan pori-pori) bisa kontak langsung dengan gas
pengaktif. Pada tahap kedua, permukaan karbon aromatrikyang telah terekspos
terbakar oleh gas pengaktif sehingga pori-pori membesar, dan disertai dengan
pembentukan pori-pori baru [20].
Metoda aktifasi yang umum digunakan dalam pembuatan arang aktif adalah:
a. Aktifasi kimia: proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organic
denganpemakian bahan-bahan kimia
b. Aktifasi fisika: proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik
denganbantuan panas, uap dan CO2 [23]
Dalam aktifasi kimia, aktifator yang digunakan adalah bahan-bahan kimia
seperti: hidroksida ligam alkali garam-garam karbonat, klorida, sulfat, fosfat dari
logam alkali tanah dan khususnya ZnCl2 , asam-asam anorganik seperti H2SO4 dan
H3PO4 [25]
Untuk aktifasi fisika, biasanya arang dipanaskan didalam furnace pada
temperatur 800-900°C. Oksidasi dengan udara pada temperatur rendah, merupakan
reaksi eksoterm sehingga sulit untuk mengontrolnya. Sedangkan pemanasan dengan
uap atau CO2 pada temperatur tinggi merupakan reaksi endoterm, sehingga lebih
mudah dikontrol dan paling umum digunakan [23]
8
Universitas Sumatera Utara
2.4 Pirolisis
Pirolisis yaitu pemanasan pada kondisi bebas oksigen. Dalam proses pirolisis
umumnya adalah mendegradasi suatu senyawa-senyawa yang terdapat dalam suatu
material untuk memecahnya menjadi senyawa-senyawa parsial. Proses pirolisis dapat
dilakukan dengan reaktor pirolisis, furnace, dan microwave. Dalam suatu penelitian
yang sudah sering dilakukan adalah bertujuan untuk mengambil senyawa
hidrokarbon dalam suatu bentuk ikatan plastik. Senyawa turunan hidrokarbon
mempunyai kegunaan yang sangat banyak dan mencakup semua bidang kehidupan.
Hidrokarbon (minyak dan gas) mayoritas digunakan sebagai bahan bakar untuk
menghasilkan energi dan untuk memanaskan ruangan [7]. Proses pirolisis secara
umum sebagai berikut:
Biomaterial + pemanasan arang + gas
[6]
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 : (C 6H10O5)n 6nC + 5(H2O).
Sehingga dihasilkan arang atau karbon [8].
2.5
Microwave pirolisis
Pirolisis dapat digambarkan sebagai proses kimia dan termal dekomposisi
komponen organik dalam suasana bebas oksigen untuk menghasilkan char, minyak
dan gas. Pemanasan microwave telah digunakan untuk pirolisis biomassa , ban
bekas, kayu, karet, serpih minyak, kopi dan produksi bahan kimia lainnya. Aplikasi
microwave sangat luas. Oleh karena itu, banyak penelitian telah dilakukan dengan
desain yang berbeda untuk menyelidiki proses hasil dalam berbagai aplikasi kimia
[26].
Pada tahun 2000 Esveld dkk (dalam Farid,2013), merancang skala pilot terus
menerus (10 sampai 100kg/h) reaktor multimode microwave dan memodelkan unit
untuk bahan kering dan kimia bebas pelarut dalam reaksi esterifikasi (asam stearat
dengan stearil alkohol). Dalam studi mereka penyerapan microwave ditingkatkan
dengan menambahkan tanah liat (50 % berat) untuk sampel [26].
2.6
Sorpsi ( Daya Serap)
Sorpsi adalah proses penyerapan ion oleh partikel penyerap. Proses sorpsi
dibedakan menjadi dua yaitu adsorpsi dan absorpsi. Dinamakan proses adsorpsi jika
9
Universitas Sumatera Utara
ion atau senyawa yang diserap tertahan pada permukaan partikel penyerap dan proses
pengikatan berlangsung sampai di dalam partikel penyerap disebut sebagai proses
absorpsi [20].
Adsorpsi adalah molekul-molekul pada permukaan zat padat atau zat cair,
mempunyai gaya tarik ke arah dalam, karena tidak ada gaya-gaya lain yang
mengimbangi. Adanya gaya-gaya ini menyebabkan zat padat dan zat cair,
mempunyai gaya adsorpsi [21].
Pada adsorpsi gas di permukaan zat padat, terjadi kesetimbangan antara gas
yang terjerap dengan gas sisa. Daya serap zat padat terhadap gas tergantung dari
jenis adsorben, jenis gas, luas permukaan adsorben, temperatur gas dan tekanan gas.
Makin luas permukaan adsorben, makin banyak gas yang dapat diserap. Luas
permukaan sukar ditentukan, hingga biasanya daya serap dihitung tiap satuan massa
adsorben [27].
Beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap adsorpsi, yaitu : [23]
a. Sifat Adsorben
Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang
sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing-masing berikatan
secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar.
Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting
diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil
pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan
demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi,
dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Jumlah atau
dosis arang aktif yang digunakan juga diperhatikan.
b. Sifat Serapan
Banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh arang aktif tetapi kemampuan untuk
mengadsorpsi berbeda untuk masing-masing senyawa. Adsorpsi akan bertambah
besar sesuai dengan bertambahnya ukuran molekul serapan dari struktur yang
sama. Adsorpsi juga dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus fungsi, ikatan
rangkap, struktur rantai dari senyawa serapan.
10
Universitas Sumatera Utara
c. Temperatur
Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk menyelidiki temperatur pada saat
berlangsungnya proses. Karena tidak ada peraturan umum yang bias diberikan
mengenai
temperatur
yang
digunakan
dalam
adsorpsi.
Faktor
yang
mempenggaruhi temperatur proses adsorpsi adalah vikositas dan stabilitas thermal
senyawa serapan. Untuk senyawa volatil, adsorpsi dilakukan pada temperatur
kamar atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih kecil.
d. pH (Derajat Keasaman)
Untuk asam-asam organik adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan, yaitu
dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena kemampuan asam
mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya bila pH
asam organik dinaikkan yaitu dengan menambahkan alkali, adsorpsi akan
berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.
e. Waktu Kontak
Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk
mencapaikesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan
jumlah arang
yangdigunakan. Selain ditentukan oleh dosis arang aktif,
pengadukan juga mempengaruhi waktu kontak. Pengadukan dimaksudkan untuk
memberi kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan
senyawa serapan. Untuk larutan yang mempunyai vikositas tinggi dibutuhkan
waktu kontak yang lebih lama [23].
Adsorpsi ada dua jenis, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia. Pada
adsorpsifisika, adsorpsi disebabkan oleh gaya Van der Waals yang ada pada
permukaan adsorben.Sedangkan pada adsorpsi kimia, terjadi reaksi antara zat yang
diserap dan adsorben [28].
2.7
Pengaktifan dengan Asam Fosfat (H3PO4)
Bahan kimia asam posfat (H3PO4) atau yang biasa dikenal dengan asam
ortofosfat atau fosfat (V) asam adalah mineral anorganik yang dapat digunakan
sebagai bahan pengaktif yakni proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik
dengan penambahan bahan-bahan kimia, dimana bahan-bahan kimia yang lain yang
dapat digunakan sebagai pengaktif adalah HNO 3, sianida, Ca(OH)2, CaCl2,
11
Universitas Sumatera Utara
Ca3(PO4)2, NaOH, Na2(SO)4, SO2, ZnCl2, Na2CO3 dan uap air pada suhu tinggi [29].
Pada penelitian ini digunakan H3PO4 sebagai pengaktivasi sampel. Aktivasi kimia
dari bahan karbon oleh H3PO4 adalah teknik yang berguna untuk memperoleh karbon
aktif dengan distribusi ukuran pori yang diinginkan pada suhu rendah [30].
Menurut Girgis, dkk dalam Rajheswar (2012), pembuatan karbon aktif
dengan menggunakan aktivator asam fosfat akan menghasilkan karbon aktif yang
lebih baik dibandingkan dengan menggunakan asam yang lain [31].
Pembuatan karbon aktif dengan proses impregnasi H3PO4 menggunakan
microwave telah banyak digunakan, diantaranya ialah : Yacob, dkk (2013) dengan
menggunakan bahan baku kelapa sawit dan impregnasi asam fosfat (H3PO4) pada
konsentrasi 10-80%. Pada percobaan tersebut didapat hasil terbaik bahwa pada
konsentrasi asam fosfat 60%, dimana pada konsentrasi tersebut didapat luas
permukaan yang tinggi yaitu 630 m2 / g [11]. Hesas, dkk (2013) melakukan percoban
menggunakan sampel apel dan pulp apel dengan impregnasi H3PO4pada konsentrasi
85% dan menggunakan microwave dengan daya 550, 700, dan 1000 W, hasil yang
diperoleh dari percobaan tersebut di dapat bahwa pada daya microwave 700 W
perolehan BET yang di dapat lebih besar yaitu pada apel 1552 m2/g dan 1103 m2/g
pada pulp apel [32].
2.8
Pengujian Karakteristik Karbon Aktif
2.8.1 Karakterisasi Fourier Transform Infra-Red (FTIR)
Menurut Iguchi 1997, Jimenez, et.al. 1999, Kercher 2003, dalam Malik
(2013), Untuk mengetahui perubahan struktur kimia yang terjadi selama proses
aktivasi dilakukan analisis gugus fungsi dengan menggunakan spektrofotometri infra
merah (FTIR) [33]. Menurut Van de voort, 1994; Li et al., 2000; Ruiz et al., 2001;
Guillen and Cabo, 2002; Bendini et al., 2007, dalam Andina (2014), Metode
spektrofotometri FTIR juga telah digunakan untuk penentuan parameter stabilitas
minyak, diantaranya adalah penetapan bilangan peroksida dalam minyaknabati [34].
Hasil analisis FTIR menunjukkan bahwa permukaan arang aktif mengandung ikatan
C-O dan C-H [35]
12
Universitas Sumatera Utara
2.8.2
Uji SEM
Scanning Electron Microscopy (SEM), digunakan untuk mengamati
morfologi fisik permukaan sampel [32]. Selain itu analisis SEM digunakan untuk
mengetahui topografi arang aktif meliputi analisis permukaan dan tekstur arang aktif
yang terbentuk [36].
Cara kerja SEM adalah gelombang elektron yang dipancarkan electron gun
terkondensasi di lensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa
objektif. Scanning coil yang diberi energy menyediakan medan magnetik bagi sinar
elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron
sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor
backscatter. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas di
permukaan Cathode Ray Tube (CRT) sebagai topografi Gambar. [37].
2.8.3 Analisis Bilangan Iodine
Bilangan iodine merupakan parameter dasar paling penting digunakan untuk
karakterisasi karbon aktif. Iodine merupakan ukuran pada tingkat keaktifannya.
Bilangan iodine dapat digunakan sebagai pendekatan untuk luas permukaan dan
mikropori karbon aktif dengan presisi yang baik [38].
13
Universitas Sumatera Utara