Pembuatan dan Karakterisasi Arang Aktif dari Batang Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) yang Diaktivasi dengan H3PO4.

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ARANG AKTIF DARI BATANG TANAMAN GUMITIR (Tagetes erecta) YANG DIAKTIVASI

DENGAN H3PO4

Skripsi

Oleh :

I Putu Adi Surya Mahardika NIM. 1208105002

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA

BUKIT JIMBARAN 2016

ii

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ARANG AKTIF DARI BATANG TANAMAN GUMITIR (Tagetes erecta) YANG DIAKTIVASI

DENGAN H3PO4 Skripsi

Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) di Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Udayana Oleh :

I Putu Adi Surya Mahardika NIM. 1208105002

Disetujui untuk disidangkan tanggal : 16 Mei 2016 Menyetujui

Pembimbing I Pembimbing II

Dra. Emmy Sahara, M.Sc.(Hons.) Ir. Wahyu Dwijani Sulihingtyas, M.Kes.

NIP. 196506161991032002 NIP. 195909191985032002

Mengesahkan Ketua Jurusan Kimia

I NENGAH WIRAJANA NIP. 197102191997021001

TEAM PENGUJI SIDANG SKRIPSI

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ARANG AKTIF DARI BATANG TANAMAN GUMITIR (Tagetes erecta) YANG DIAKTIVASI

DENGAN H3PO4 Oleh :

I Putu Adi Surya Mahardika NIM. 1208105002

Skripsi ini disidangkan di Bukit Jimbaran Pada hari Senin, 16 Mei 2016

Penguji Sidang Skripsi

Ketua Sekretaris

Dra. Emmy Sahara, M.Sc.(Hons.) Ir. Wahyu Dwijani Sulihingtyas, M.Kes.

NIP. 196506161991032002 NIP. 195909191985032002

Anggota

Drs. I Wayan Suarsa, M.Si. NIP. 196504191991031001

Anggota

Drs. I Wayan Suirta, M.Si. NIP. 196507191992031002

Anggota

Ir. Ni Gst. Ayu Made Dwi Adhi Suastuti, M.Si. NIP. 196604101991032002

iv

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan dan karakterisasi arang aktif dari batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) dengan aktivator H3PO4. Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan menentukan karakteristik arang aktif dari limbah batang tanaman gumitir serta menentukan konsentrasi optimum H3PO4 yang dibutuhkan untuk mendapatkan arang aktif dengan karakteristik yang baik ditinjau dari kadar air, kadar zat mudah menguap, kadar abu total, kadar karbon, daya serap terhadap metilen biru, dan daya serap terhadap iod. Selain itu, dilakukan juga analisis spektra secara FTIR terhadap arang aktif dengan karakteristik yang terbaik.

Secara umum, bila dibandingkan dengan standar mutu SNI 06-3730-1995 tentang arang aktif teknis maka aktivasi dengan berbagai konsentrasi H3PO4 dalam penelitian ini menghasilkan arang aktif dengan karakteristik yang baik, dimana aktivasi dengan asam fosfat sebesar 15% menunjukkan karakteristik yang terbaik yaitu: kadar air 4,67 ± 0,33%, kadar zat mudah menguap 5,59 ± 0,33%, kadar abu 5,67 ± 0,33%, kadar karbon 84,33%, daya serap terhadap metilen biru sebesar 162,84 ± 0,50 mg/g dan daya serap terhadap I2 sebesar 759,62 ± 3,07 mg/g. Hasil identifikasi dengan spektrofotometer FTIR menunjukkan bahwa arang aktif tersebut mengandung gugus fungsi OH, C-H alifatik, P=O dan P-OH. Kata kunci: arang aktif, karakterisasi, Tagetes erecta, asam fosfat.

ABSTRACT

This paper discusses the manufacture and characterization of activated carbon made from the stems of marigold plants (Tagetes erecta) with H3PO4 as the chemical activator. This research was aimed to create and determine the characteristics of the activated carbon from the waste of marigold plant as well as to determine the optimum concentration of H3PO4 required to obtain the activated carbon with good characteristics in terms of water, volatile substance, total ash, and carbon contents, as well as the absorption capacities of methylene blue and iodine. In addition, the analysis of FTIR spectra of the activated carbon with the best characteristics was also carried out.

In general, compared to the quality standards of SNI 06-3730-1995 about the technical activated carbon, activation with various concentrations of H3PO4 produced activated carbon with good characteristics, but most of all activation with phosphoric acid at the concentration of 15% produced the activated carbon showing the best characteristics as follows: water content of 4.67 ± 0,33%, volatile substance content of 5.59± 0,33%, ash content of 5.67 ± 0,33%, and carbon content of 84.33%. The absorption capacity of methylene blue was 162.84 ± 0,50 mg/g while the absorption capacity of I2 was 759, 62 ± 3,07 mg/g. The FTIR identification showed that the activated carbon contains the functional groups of OH, C-H aliphatic, P=O and P-OH.

vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa, karena berkat rahmat-Nya akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pembuatan dan Karakterisasi Arang Aktif dari Batang Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) yang Diaktivasi dengan H3PO4” tepat pada waktunya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si.) di Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana.

Penulisan dan penyusunan skripsi ini tidak terlepas dari bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Dr. I Nengah Wirajana, S.Si., M.Si selaku Ketua Jurusan Kimia Fakultas

MIPA Universitas Udayana yang telah memberikan petunjuk dan saran. 2. Dra. Emmy Sahara, M.Sc.(Hons.) dan Ir. Wahyu Dwijani Sulihingtyas,

M.Kes. selaku pembimbing I dan pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan dukungan dalam penyusunan skripsi ini.

3. Ayah I Nyoman Sutamba dan Ibu Ni Wayan Suatri yang telah memberi doa, semangat, dukungan dan bantuan dalam menyelesaikan skripsi ini.

4. Ni Putu Diah Pithaloka Dewani, Amd.Gz untuk doa, semangat, dukungan

dan bantuannya selama proses penelitian dan penyusunan skripsi.

5. Seluruh teman-teman Jurusan Kimia Fakultas MIPA Universitas Udayana

dan semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran konstruktif dari semua pihak sehingga dapat menjadi evaluasi dan penyempurnaan skripsi ini. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pembaca dan pihak yang membutuhkan.

Bukit Jimbaran, 29 April 2016

DAFTAR ISI

Halaman

Halaman Judul ... i

Lembar Pengesahan ... ii

Team Penguji Sidang Skripsi ... iii

Abstrak ... iv

Abstract ... v

Kata Pengantar ... vi

Daftar Isi ... vii

Daftar Tabel ... x

Daftar Gambar ... xi

Daftar Lampiran ... xii

BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah... 4

1.3 Tujuan ... 4

1.4 Manfaat Penelitian ... 4

BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Tagetes sp. ... 5

2.2 Biomassa ... 9

2.2.1 Pengertian biomassa ... 9

2.2.2 Biomassa sebagai sumber energi ... 10

2.2.3 Konversi biomassa ... 11

viii

2.3 Arang Aktif ... 14

2.3.1 Bahan baku arang aktif ... 15

2.3.2 Pembuatan arang aktif ... 16

2.3.3 Kualitas arang aktif ... 19

2.4Spektroskopi ... 22

2.4.1 Spektroskopi inframerah ... 24

2.4.2 Spektroskopi ultraviolet dan cahaya tampak (UV-Vis) ... 26

BAB III Metode Penelitian 3.1 Tempat Penelitian ... 29

3.2 Alat dan Bahan ... 29

3.2.1 Peralatan penelitian... 29

3.2.2 Bahan penelitian ... 29

3.3 Prosedur Kerja ... 29

3.3.1 Penyiapan bahan ... 29

3.3.2 Pirolisis batang gumitir (Tagetes erecta) menjadi arang ... 30

3.3.3 Aktivasi arang ... 30

3.3.4 Karakterisasi arang aktif ... 30

BAB IV Hasil dan Pembahasan 4.1 Pembuatan Arang dari Batang Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) 33 4.2 Aktivasi Arang ... 33

4.3 Karakterisasi Arang Aktif ... 35

4.3.1 Kadar air ... 35

4.3.2 Kadar zat mudah menguap ... 38

4.3.4 Kadar karbon ... 42

4.3.5 Daya serap metilen biru ... 44

4.3.6 Daya serap iodin ... 46

4.3.7 Gugus fungsi ... 48

Bab V Simpulan dan Saran 5.1 Simpulan ... 53

5.2 Saran ... 53

Daftar Pustaka ... 54

Lampiran... 57

x

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SII. 0258-79. ... 19

Tabel 2.2 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SNI 06 _– 3730 _– 1995 dtrefsfsd tentang Arang Aktif Teknis. ... 19

Tabel 4.1 Rendemen Hasil Aktivasi Arang Batang Gumitir Menggunakan berbagai Konsentrasi Asam Fosfat ... 34

Tabel 4.2 Hasil Penentuan Kadar Air Arang Aktif ... 36

Tabel 4.3 Hasil Penentuan Kadar Zat Mudah Menguap Arang Aktif ... 38

Tabel 4.4 Kadar Abu Total Arang Aktif ... 40

Tabel 4.5 Kadar Karbon Arang Aktif ... 42

Tabel 4.6 Hasil Penentuan Daya Serap Metilen Biru ... 45

Tabel 4.7 Hasil Penentuan Daya Serap Iodin ... 47

Tabel 4.8 Data Spektrum Inframerah Arang... 50

Tabel 4.9 Data Spektrum Inframerah Arang Aktif ... 51

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Tanaman Gumitir ... 7

Gambar 2.2 Limbah Biomassa ... 10

Gambar 2.3 Struktur Pori Arang (a) dan Arang Aktif (b) ... 15

Gambar 2.4 Diagram Alir Pembuatan Arang Aktif ... 17

Gambar 2.5 Absorpsi dalam Spektrum Inframerah... 25

Gambar 2.6 Contoh Spektrum Inframerah Biokarbon yang Berasal dari Daun Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) ... 26

Gambar 4.1 Hubungan Konsentrasi Asam Fosfat dan Rendemen Arang Aktif ... 35

Gambar 4.2 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Air Arang Aktif ... 37

Gambar 4.3 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Zat Mudah Menguap Arang Aktif ... 39

Gambar 4.4 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Abu Total Arang Aktif ... 41

Gambar 4.5 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Karbon Arang Aktif ... 43

Gambar 4.6 Kurva Kalibrasi Larutan Standar Metilen Biru ... 44

Gambar 4.7 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Daya Serap Arang Aktif terhadap Metilen Biru ... 45

Gambar 4.8 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Daya Serap Arang Aktif terhadap Iodin ... 48

Gambar 4.9 Spektra Inframerah Arang ... 49

xii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1Skema Kerja

1.1 Diagram alur penelitian ... 57

1.2 Pirolisis batang gumitir (Tagetes erecta) menjadi arang ... 58

1.3 Aktivasi arang ... 59

1.4 Karakterisasi arang aktif ... 60

1.5 Analisis gugus fungsi ... 63

Lampiran 2Pembuatan Larutan 2.1 Pembuatan larutan asam fosfat (H3PO4) ... 64

2.2 Pembuatan larutan iodium (I2) 0,125 N ... 65

2.3 Pembuatan larutan natrium tiosulfat (Na2S2O3) 0,1 N ... 65

2.4 Pembuatan larutan kalium dikromat (K2Cr2O7) 0,05 N ... 65

2.5 Pembuatan larutan metilen biru ... 65

2.6 Pembuatan indikator amilum 1% ... 66

Lampiran 3 Pembuatan dan Karakterisasi Arang Aktif 3.1 Pirolisis batang tanaman gumitir menjadi arang ... 67

3.2 Aktivasi arang dengan variasi konsentrasi asam fosfat ... 68

3.3 Penentuan kadar air arang aktif ... 69

3.4 Penentuan kadar zat mudah menguap arang aktif ... 70

3.5 Penentuan kadar abu total arang aktif ... 72

3.6 Penentuan kadar karbon arang aktif ... 73

3.7 Penentuan daya serap arang aktif terhadap metilen biru ... 74

Lampiran 4 Dokumentasi

4.1 Preparasi sampel ... 81

4.2 Pirolisis sampel ... 81

4.3 Aktivasi arang ... 82

4.4 Karakterisasi arang aktif ... 82

4.5 Penentuan absorbansi filtrat metilen biru ... 83

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Tanaman gumitir (Tagetes erecta) merupakan salah satu tanaman yang banyak dikembangkan di Indonesia, khususnya di Bali. Gumitir merupakan tanaman yang biasa dimanfaatkan untuk menghias kebun. Bunga tanaman gumitir biasanya berwarna kuning atau oranye dan memiliki bau yang menyengat.

Bagian bunga tanaman gumitir biasa digunakan sebagai sarana persembahyangan ataupun sebagai hiasan guna menambah nilai estetika. Tanaman gumitir dibudidayakan secara luas untuk mendapatkan ekstrak lutein yang merupakan suatu suplemen makanan, dan sebagai pewarna makanan (Qin et al., 2014). Selain itu, tanaman gumitir juga dapat dimanfaatkan sebagai bahan anti nyamuk (Patel et al., 2012), anti nematoda (Wang et al., 2007), insektisida (Parugrug dan Aurea, 2008), dan juga sebagai antioksidan (Gong et al., 2012).

Dalam budidaya tanaman gumitir, setelah masa panen selesai, tanaman ini akan menyisakan limbah pertanian yang melimpah. Sampai saat ini batang tanaman gumitir belum dimanfaatkan secara maksimal. Untuk menanggulangi masalah, biasanya petani membakar limbah tanaman ini atau dijadikan pakan ternak. Pembakaran limbah tanaman gumitir ataupun limbah pertanian lainnya secara terus menerus akan menimbulkan pencemaran udara.

Limbah tanaman gumitir ini merupakan suatu biomassa yang dapat dirubah menjadi materi yang bernilai ekonomis lebih tinggi dan lebih bermanfaat daripada dibakar begitu saja.

Biomassa merupakan keseluruhan materi yang berasal dari makhluk hidup, termasuk bahan organik baik yang hidup maupun yang ada di bawah permukaan tanah. Contoh dari biomassa adalah pohon, hasil panen, rumput, hewan dan sisa/kotoran hewan (Sutaryo, 2009). Salah satu pemanfaatan biomassa adalah sebagai bahan dasar produksi arang aktif. Pemanfaatan biomassa seperti limbah tanaman gumitir untuk produksi arang aktif memiliki dampak yang positif sebagai pengurangan limbah pertanian dalam hal ini limbah padat organik.

Arang aktif merupakan padatan dengan bahan dasar karbon berpori yang memiliki luas permukaan sangat tinggi yaitu diatas 600 m2/gram. Biomassa dapat digunakan sebagai bahan untuk pembuatan arang melalui pemanasan pada suhu tinggi. Setelah itu arang diubah menjadi arang aktif melalui proses aktivasi. Proses aktivasi merupakan proses untuk menghilangkan hidrokarbon yang melapisi permukaan arang sehingga dapat meningkatkan porositas karbon (Cooney, 1980). Aktivasi arang aktif dapat dilakukan melalui proses aktivasi secara fisik dan proses kimia. Proses aktivasi secara fisik dapat dilakukan dengan pemberian uap air atau gas CO2, sedangkan secara kimia dilakukan dengan penambahan zat kimia tertentu (Jamilatun et al., 2014). Aktivasi secara kimia dapat dilakukan dengan penambahan zat kimia sekaligus pada saat pirolisis ataupun penambahan zat kimia setelah arang terbentuk.

Aktivasi secara kimia memberikan beberapa keuntungan karena dapat dilakukan dalam satu langkah, dengan mengkombinasikan pirolisis dan aktivasi yang dilakukan pada suhu yang lebih rendah maka akan dihasilkan struktur pori arang aktif yang lebih baik (Ioannidou dan Zabanitou, 2007). Aktivator kimia yang digunakan untuk aktivasi arang aktif biasanya berupa asam, basa, ataupun

3

garam. Qin (2014) melaporkan bahwa arang aktif yang dihasilkan dari batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) yang aktivasinya menggunakan asam fosfat (H3PO4) yang dilakukan sekaligus saat pirolisis menghasilkan arang aktif dengan struktur pori yang lebih baik.

Berdasarkan SNI 06-3730-1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif berbentuk serbuk yang berkualitas baik memiliki kadar air maksimal sebesar 15%, kadar zat mudah menguap maksimal 25%, kadar abu maksimal 10% dan kadar karbon minimal 65%. Untuk daya serapnya, arang aktif yang baik memiliki daya serap terhadap I2 minimal sebesar 750 mg/g dan daya serap terhadap metilen biru minimal sebesar 120 mg/g (Sudrajat dan Pari, 2011).

Arang aktif banyak dimanfaatkan oleh pabrik-pabrik untuk berbagai tujuan, diantaranya sebagai pembersih air, pemurnian gas, atau pengolahan limbah cair. Dalam perindustrian, arang aktif sangat berguna karena dapat mengadsorpsi bau, warna, gas serta logam. Maraknya perkembangan proses industri akan meningkatkan resiko pencemaran lingkungan sehingga meningkatkan pula kebutuhan akan arang aktif (Sidiq, 2014).

Berdasarkan latar belakang di atas, maka perlu dilakukan penelitian tentang aktivasi arang dari batang tanaman gumitir dengan berbagai konsentrasi aktivator H3PO4 dan karakterisasinya sehingga diperoleh arang aktif yang berkualitas sesuai standar SNI.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang diatas, dapat dirumuskan masalah yaitu :

1.2.1 Bagaimanakah karakteristik arang aktif yang dihasilkan dari batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) yang diaktivasi dengan berbagai konsentrasi H3PO4?

1.2.2 Berapakah konsentrasi H3PO4 yang dibutuhkan untuk membuat arang aktif

yang memenuhi standar SNI? 1.3 Tujuan

Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:

1.3.1 Membuat arang aktif dari limbah batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) dengan aktivator asam fosfat (H3PO4).

1.3.2 Menentukan konsentrasi optimum asam fosfat (H3PO4) yang dibutuhkan untuk mendapatkan arang aktif yang baik ditinjau dari kadar air, kadar zat mudah menguap, kadar abu total, kadar karbon terikat, daya serap terhadap iod, daya serap terhadap metilen biru, dan gugus fungsinya.

1.4 Manfaat Penelitian

Dari penelitian yang dilakukan akan diperoleh informasi ilmiah mengenai pemanfaatan limbah batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) sebagai bahan pembuatan arang aktif yang baik dengan aktivator asam fosfat (H3PO4).

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tagetes sp.

Genus Tagetes merupakan subfamili Asteroideae dari famili asteraceae. Tanaman jenis ini merupakan tanaman budidaya yang memiliki bau menyengat dan dapat tumbuh di hampir semua jenis tanah (Shahzadi, 2012). Spesies dari Tagetes dikenal dengan nama Inggris marigold, tumbuh sebagai tanaman hias tahunan. Varietas spesies dari Tagetes digunakan secara luas sebagai tanaman hias, namun pada banyak negara di bagian timur, bunganya digunakan sebagai sarana persembahyangan (Vasudevan et al., 1997).

Spesies dari Tagetes berkembang di seluruh dunia, tanaman ini merupakan tanaman yang kokoh serta bercabang dan tingginya bervariasi dari 0,01 hingga 2,2 meter. Spesies-spesiesnya memiliki daun yang tersegmentasi, menyirip, berwarna hijau gelap dan beraroma, sedangkan bunganya memiliki warna yang bervariasi dari kuning, jingga, hingga kemerahan (Shahzadi, 2012). Berikut ini adalah varietas utama yang merupakan spesies dari genus Tagetes (Priyanka et al., 2013):

1. Marigold Amerika atau Afrika (Tagetes Erecta):

Marigold jenis ini dapat tumbuh lebih tinggi dibandingkan dengan spesies lainnya. Bunganya berbentuk bulat dan dapat tumbuh besar hingga mencapai 5 inchi. Bunga dari marigold jenis ini berwarna kuning hingga jingga. Jenis marigold Afrika memerlukan waktu yang lebih lama untuk berbunga daripada jenis marigold Prancis.

2. Marigold Prancis (Tagetes patula)

Jenis marigold ini dapat tumbuh tinggi dari 5 hingga 18 inchi. Bunganya dapat berwarna merah, jingga dan kuning. Bunga dari marigold jenis ini lebih kecil daripada jenis lain yaitu sekitar 2 inchi.

3. Marigold Signet (Tagetes signata)

Jenis marigold signet tumbuh lebat dengan bunga tunggal yang kecil. Bunganya berwarna kuning hingga jingga dan dapat dimakan. Bunga dari marigold signet memiliki aroma yang pedas dan daunnya memiliki bau seperti lemon. Tanaman ini sangat baik untuk ditanam pada pot sebagai hiasan jendela.

Marigold Afrika atau Amerika (Tagetes Erecta) di Indonesia khususnya di Bali banyak dibudidayakan dan dinamakan sebagai tanaman gumitir. Sistem botani dari tanaman gumitir adalah sebagai berikut (Priyanka et al., 2013):

Kingdom : Plantae

Order : Asterales

Family : Asteraceae

Genus : Tagetes

Species : erecta

Berdasarkan kebutuhannya, bunga gumitir hampir setiap hari digunakan khususnya untuk keperluan upacara keagamaan di Bali. Secara umum bunga gumitir banyak digunakan untuk membuat sesajen sehingga pada saat menjelang hari raya keagamaan, kebutuhan terhadap bunga gumitir akan meningkat. Selain itu bunga gumitir juga banyak digunakan oleh hotel-hotel sebagai hiasan meja,

7

kalung bunga bagi pengunjung, dan dekorasi lainnya guna menambah nilai estetika. Gambar tanaman gumitir (Tagetes erecta) ditunjukkan dalam Gambar 2.1 berikut ini:

Gambar 2.1 Tanaman Gumitir (Tagetes erecta)

Tanaman ini selain dibudidayakan secara khusus, sering juga ditanam sebagai penghias halaman rumah dan tentunya juga bisa sebagai penambah pendapatan keluarga tani. Akibat kebutuhan yang meningkat, maka semakin marak pula pembudidayaan tanaman gumitir ini (Artanaya dan Widiada, 2013).

Tanaman gumitir merupakan tanaman perdu dengan bentuk daun lancip bergerigi, kecil-kecil berwarna hijau. Secara morfologi tinggi tanaman gumitir kurang lebih 50 – 60 cm tergantung kesuburannya. Apabila sudah cukup umur ( + 50 hari) tanaman gumitir akan berbunga yang berwarna kekuningan, dengan mahkota bunga yang mengembang dengan diameter mencapai + 10 cm. Tanaman

ini dapat tumbuh di daerah dataran tinggi maupun daerah dataran rendah (Artanaya dan Widiada, 2013).

Tanaman gumitir digunakan secara besar-besaran tidak hanya di Bali, melainkan di seluruh bagian dunia. Hal ini diakibatkan karena tanaman gumitir merupakan tanaman yang multifungsi (Vasudevan et al., 1997). Telah dilakukan studi untuk mengamati aktifitas insektisida dari tanaman gumitir (Tagetes erecta) terhadap kumbang jagung (Sitophilus zeamais), yang merupakan hama tumbuhan, dimana serbuk daun dari tanaman gumitir dapat berfungsi sebagai penolak kumbang jagung. Aktifitas insektisida dari tanaman ini tergolong baik karena tidak menghambat pertumbuhan tanaman sampel (Parugrug et al., 2008).

Nematisida kimiawi diketahui terbatas keberadaannya sehingga membuat harganya tidak terjangkau. Selain itu banyak nematisida sintetis mempengaruhi organisme non-target seperti mikroorganisme tanah yang bermanfaat. Tanaman gumitir (Tagetes erecta) dilaporkan dapat mengurangi populasi nematoda serta lebih ramah lingkungan daripada nematisida kimiawi karena tidak menekan pertumbuhan mikroorganisme tanah yang lain. Aktifitas anti nematoda dari tanaman gumitir (Tagetes erecta) yang memberikan efek menguntungkan untuk produk organik dan meminimalisir pencemaran lingkungan membuat tanaman ini berpotensi sebagai pengganti nematisida kimiawi (Wang et al., 2007).

Bunga gumitir juga dapat digunakan sebagai sumber karotenoid. Karotenoid yang berasal dari ekstrak bunga gumitir secara komersial digunakan sebagai pewarna dan suplemen makanan. Salah satu karotenoid yang sering dijumpai adalah lutein. Ekstrak bunga gumitir yang dianalisis dengan LC-MS telah diketahui mengandung lutein (Breithaupt et al., 2002).

9

Sampai sejauh ini, pemanfaatan tanaman gumitir masih terbatas bagian bunganya saja, sedangkan penggunaan bagian lainnya seperti daun, batang, serta akarnya belum dimanfaatkan dengan baik. Setelah masa panen selesai, budidaya tanaman gumitir akan menyisakan limbah pertanian. Untuk menanggulangi limbah, biasanya petani membakar limbah tanaman ini atau menjadikannya pakan ternak. Pembakaran limbah tanaman gumitir ataupun limbah pertanian lainnya secara terus menerus akan menimbulkan pencemaran udara.

2.2 Biomassa

2.2.1 Pengertian biomassa

Menurut kementrian pertanian, kehutanan dan perikanan Jepang, biomassa merupakan bahan yang dapat diperoleh dari tanaman baik secara langsung maupun tidak langsung dan dimanfaatkan sebagai energi atau bahan dalam jumlah yang besar. Biomassa disebut juga sebagai _{“fitomassa”} dan seringkali diterjemahkan sebagai bioresource atau sumber daya yang diperoleh d a r i b a h a n hayati (Yokayama dan Matsumura, 2008). Menurut Sutaryo (2009) biomassa merupakan keseluruhan materi yang berasal dari makhluk hidup, termasuk bahan organik baik yang hidup maupun yang mati, baik yang ada di atas permukaan tanah maupun yang ada di bawah permukaan tanah, misalnya pohon, hasil panen, rumput, serasah, akar, hewan dan kotoran hewan.

Biomassa secara spesifik merujuk pada limbah pertanian seperti jerami, sekam padi, limbah perhutanan seperti serbuk gergaji, tinja, kotoran hewan, sampah dapur, lumpur kubangan, dan sebagainya. Dalam kategori jenis tanaman, yang termasuk biomassa adalah kayu putih, kelapa sawit, tebu,

rumput, rumput laut, dan lain-lain. Beberapa contoh biomassa ditampilkan pada Gambar 2.2 berikut ini:

Sisa pemotongan kayu Ranting kayu

Sekam Bonggol Jagung

Gambar 2.2 Limbah Biomassa 2.2.2 Biomassa sebagai sumber energi

Potensi biomassa di Indonesia yang bisa digunakan sebagai sumber energi jumlahnya sangat melimpah. Limbah yang berasal dari hewan maupun tumbuhan semuanya potensial untuk dikembangkan. Tanaman pangan dan perkebunan menghasilkan limbah yang cukup besar, yang dapat dipergunakan untuk keperluan lain seperti bahan bakar nabati. Pemanfaatan limbah sebagai bahan bakar nabati memberi tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efisiensi energi secara keseluruhan karena kandungan energi yang terdapat pada limbah cukup besar dan akan terbuang percuma jika tidak dimanfaatkan. Kedua, penghematan biaya, karena seringkali membuang limbah bisa lebih mahal dari pada memanfaatkannya. Ketiga, mengurangi keperluan akan tempat penimbunan sampah karena penyediaan tempat penimbunan akan menjadi lebih sulit dan mahal, khususnya di daerah perkotaan.

11

Selain pemanfaatan limbah, biomassa sebagai produk utama untuk sumber energi juga akhir-akhir ini dikembangkan secara pesat. Kelapa sawit, jarak, kedelai merupakan beberapa jenis tanaman yang produk utamanya sebagai bahan baku pembuatan biodiesel. Ubi kayu, jagung, sorghum, sago merupakan tanaman-tanaman yang produknya sering ditujukan sebagai bahan pembuatan bioetanol (Teknik Pertanian IPB, 2006).

2.2.3 Konversi biomassa

Untuk pemanfaatan biomassa, bahan baku hayati yang dipilih dari berbagai jenis biomassa harus mempertimbangkan tujuan pemanfaatan, permintaan dan ketersediaannya. Setelah itu, barulah bahan baku ini bisa diubah menjadi bahan yang baru atau dikonversi menjadi energi.

Biomassa yang ditanam di ladang atau yang diperoleh dari hutan untuk tujuan tertentu disebut sebagai biomassa asli, sedangkan bahan hayati yang terbuang dari hasil proses produksi, konversi dan pemanfaatan dinamakan sebagai biomassa limbah dan digunakan untuk tujuan lain. Pemanfaatan biomassa limbah juga penting untuk menghindari konflik antara penggunaan bioenergi untuk makanan dan pakan ternak.

Pengangkutan dan penyimpanan biomassa tidaklah mudah karena ukurannya yang terlalu besar dan mudah terurai. Oleh karena itu, biomassa layak untuk digunakan di daerah dimana biomassa tersebut diproduksi. Berdasarkan alasan ini, biomassa sering digunakan di dalam daerah atau daerah dimana pasokan dan permintaan biomassa seimbang. Akan tetapi, jika biomassa diubah menjadi bentuk yang mudah untuk diangkut seperti pelet atau bahan bakar cair, maka ia dapat dimanfaatkan di daerah yang lebih jauh.

Ada berbagai teknologi konversi yang bisa digunakan untuk merubah kualitas biomassa sesuai dengan tujuan penggunaannya. Ada teknik fisika, kimia dan biologi. Konversi fisika termasuk penggerusan, penggerindaan, dan pengukusan untuk mengurai struktur biomassa dengan tujuan meningkatkan luas permukaan sehingga proses selanjutnya, yaitu kimia, termal dan biologi bisa dipercepat. Proses ini juga meliputi pemisahan, ekstraksi, penyulingan dan sebagainya untuk mendapatkan bahan berguna dari biomassa serta proses pemampatan, pengeringan atau kontrol kelembaban dengan tujuan membuat biomassa lebih mudah diangkut dan disimpan. Teknologi konversi fisika sering digunakan pada perlakuan pendahuluan untuk mempercepat proses utama.

Konversi kimia meliputi hidrolisis, oksidasi parsial, pembakaran, karbonisasi, reaksi hidrotermal untuk penguraian biomassa, serta sintesis, polimerisasi, hidrogenasi untuk membangun molekul baru atau pembentukan kembali biomassa. Penghasilan elektron dari proses oksidasi biomassa dapat digunakan pada sel bahan bakar untuk menghasilkan listrik.

Konversi biologi umumnya terdiri atas proses fermentasi seperti fermentasi etanol, fermentasi metana, fermentasi aseton-butanol, fermentasi hidrogen, dan perlakuan enzimatis yang berperan penting pada penggunaan bioetanol. Aplikasi d a r i proses fotosintesis dan fotolisis akan menjadi lebih penting untuk memperbaiki sistem biomassa (Yokayama dan Matsumura, 2008). 2.2.4 Pemanfaatan energi biomasa

Menurut Departemen Teknik Pertanian Institut Pertanian Bogor, pemanfaatan energi dari biomassa dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut :

13

1. Biobriket

Briket adalah salah satu cara yang digunakan untuk mengkonversi sumber energi biomassa ke bentuk biomassa lain dengan cara dimampatkan sehingga bentuknya menjadi lebih teratur. Briket yang terkenal adalah briket batubara namun tidak hanya batubara saja yang bisa dikonversi menjadi briket. Biomassa lain seperti sekam, arang sekam, serbuk gergaji, serbuk kayu, dan limbah-limbah biomassa yang lainnya dapat dimanfaatkan menjadi briket.

2. Gasifikasi

Secara sederhana, gasifikasi biomassa dapat didefinisikan sebagai proses konversi bahan selulosa dalam suatu reaktor gasifikasi (gasifier) menjadi bahan bakar. Gas tersebut dipergunakan sebagai bahan bakar motor untuk menggerakan generator pembangkit listrik. Gasifikasi merupakan salah satu alternatif dalam rangka program penghematan dan diversifikasi energi. Selain itu gasifikasi akan membantu mengatasi masalah penanganan dan pemanfaatan limbah pertanian, perkebunan serta kehutanan.

3. Pirolisis

Pirolisis adalah penguraian biomassa (lysis) karena panas (pyro) pada suhu yang lebih dari 150oC. Pada proses pirolisis terdapat beberapa tingkatan proses, yaitu pirolisis primer dan pirolisis sekunder. Pirolisis primer adalah pirolisis yang terjadi pada bahan baku, sedangkan pirolisis sekunder adalah pirolisis yang terjadi atas partikel dan gas/uap hasil pirolisis primer. Pirolisis adalah penguraian karena panas, sehingga keberadaan O2 dihindari pada proses tersebut karena akan memicu reaksi pembakaran.

4. Likuifikasi

Likuifikasi merupakan proses perubahan wujud dari gas ke cairan dengan proses kondensasi, biasanya melalui pendinginan, atau perubahan dari padat ke cairan dengan peleburan, bisa juga dengan pemanasan atau penggilingan dan pencampuran dengan cairan lain untuk memutuskan ikatan. Pada bidang energi, likuifikasi terjadi pada batubara dan gas menjadi bentuk cairan untuk memudahkan dalam transportasi serta pemanfaatannya.

5. Biokimia

Pemanfaatan energi biomassa yang lain adalah dengan proses biokimia. Contoh proses yang termasuk ke dalam proses biokimia adalah hidrolisis, fermentasi dan anaerobic digestion. Anaerobic digestion adalah penguraian bahan organik atau selulosa menjadi CH4 dan gas lain melalui proses biokimia.

Selain anaerobic digestion, proses pembuatan etanol dari biomassa tergolong dalam konversi biokimiawi. Biomassa yang kaya dengan karbohidrat atau glukosa dapat difermentasi sehingga terurai menjadi etanol dan CO2. Akan tetapi, karbohidrat harus mengalami hidrolisis terlebih dahulu menjadi glukosa. Etanol hasil fermentasi pada umumnya mempunyai kadar air yang tinggi dan tidak sesuai untuk pemanfaatannya sebagai bahan bakar pengganti bensin. Etanol ini harus didistilasi sedemikian rupa mencapai kadar etanol di atas 99.5% (Teknik Pertanian IPB, 2006).

2.3 Arang Aktif

Arang aktif yang sering disebut juga karbon aktif, adalah arang yang dimurnikan yaitu konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari ikatan dengan unsur lain serta pori-porinya dibebaskan dari ikatan dengan unsur lain atau

15

kotoran, sehingga permukaan karbon atau pusat aktif menjadi bersih dan lebih luas. Keluasan area pusat aktif ini yang menentukan efektifitas kegunaannya sebagai adsorben (penyerap) cairan atau gas.

Arang aktif memiliki pori-pori mikro dan makro yang jumlah, bentuk dan ukurannya bervariasi. Bentuk pori bisa berupa silinder, empat persegi panjang atau tidak beraturan dengan ukuran diameter antara 10 _– 100.000 Å (Sudrajat dan Pari, 2011). Perbedaan mendasar antara arang dengan arang aktif adalah pada struktur pori-porinya seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.3 :

Gambar 2.3 Struktur Pori Arang (a) dan Arang Aktif (b) (Sumber: Harsanti, 2011)

2.3.1 Bahan baku arang aktif

Arang aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon organik maupun anorganik, asal saja bahan tersebut memiliki struktur berpori. Kayu dan batubara biasa digunakan untuk membuat arang aktif sebagai bahan pemucat minyak makan. Arang aktif yang terbuat dari kayu kini telah menggantikan tulang yang dulu digunakan untuk proses pemurnian gula. Demikian pula limbah pertanian dapat dibuat arang aktif seperti tempurung kelapa, tempurung kelapa sawit, kulit buah kopi, sekam padi, tempurung biji karet, tempurung biji jarak, tempurung kemiri dan lain-lain. Dari sektor kehutanan, arang aktif dapat dibuat dari berbagai jenis kayu, baik kayu keras atau

potongan kayu dan lain-lain. Dari peternakan, bahan arang aktif umumnya tulang sisa dari pejagalan dan dari pertambangan adalah batu bara muda (kokas) (Sudrajat dan Pari, 2011).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa bahan baku keras seperti tempurung kelapa, kelapa sawit dan batubara akan menghasilkan arang aktif dengan berat jenis tinggi yang penggunaannya sesuai untuk penyerapan gas. Kayu atau limbah pertanian dengan kadar selulosa dan hemiselulosa tinggi serta teksturnya lunak lebih sesuai untuk tujuan penyerapan cairan.

Struktur anatomi bahan baku juga menentukan karakteristik arang aktif yang dihasilkan. Bahan baku yang memiliki pori dengan diameter kecil dan jumlah banyak serta tekstur keras artinya memiliki permukaan aktif yang luas akan menghasilkan arang aktif dengan daya adsorpsi tinggi, contohnya adalah kayu keras berberat jenis tinggi, tunggak, tempurung kelapa, kelapa sawit dan batubara. Namun secara umum, kayu dengan kadar karbon tinggi (kadar selulosa dan lignin), kadar abu dan bahan ekstraktif rendah, banyak mengandung pori dan tekstur keras, cenderung akan menghasilkan arang aktif berkualitas tinggi (Sudrajat dan Pari, 2011).

2.3.2 Pembuatan arang aktif

Proses pebuatan arang aktif terdiri dari tiga tahapan utama yaitu perlakuan bahan baku, pembuatan arang dan pembuatan arang aktif. Diagram alir tahapan proses pembuatan arang aktif dapat dilihat pada Gambar 2.4 berikut :

17

Gambar 2.4 Diagram Alir Pembuatan Arang Aktif (Sumber: Sudrajat dan Pari, 2011) 1. Pemotongan Bahan Baku

Sebelum dibuat menjadi arang, bahan baku terlebih dahulu dibuat potongan kecil agar pada tahapan proses aktivasi akan terjadi proses pemurnian yang sempurna.

2. Pembuatan Arang

Arang adalah produk setengah jadi dalam pembuatan arang aktif. Kualitas arang aktif yang dihasilkan dipengaruhi oleh kesempurnaan proses pengarangan. Cara pembuatan arang berbeda-beda tergantung jenis bahan baku yang digunakan, keadaan, kondisi sarana prasarana yang tersedia, serta tingkat teknologi atau efisiensi proses yang ditargetkan. Retor dan tanur merupakan alat yang digunakan pada proses pembuatan arang yang memerlukan efisiensi proses yang tinggi. 3. Pengolahan Arang Menjadi Arang Aktif (Proses Aktivasi)

Arang aktif disusun oleh atom karbon yang terikat secara kovalen dalam kisi heksagonal dimana molekulnya berbentuk amorf yaitu merupakan pelat-pelat datar. Mengolah arang menjadi arang aktif pada prinsipnya adalah membuka pori-pori arang agar menjadi luas yaitu dari luasnya sekitar 2 m2/gram pada arang

juga bertujuan untuk menambahkan gugus aktif pada arang sehingga dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi dari arang tersebut. Gugus aktif yang terbentuk pada arang aktif tergantung dari aktivator yang digunakan pada saat aktivasi.

Ada dua cara mengaktifkan arang yaitu melalui reaksi oksidasi lemah menggunakan uap air pada suhu 900 _– 1.000o_{C atau dengan cara dehidrasi} menggunakan bahan kimia atau garam-garam CaCl2, ZnCl2, H3PO4, NaOH, Na2SO4 dan lain-lainnya. Perendaman dengan bahan kimia dapat dilakukan sebelum proses karbonisasi, atau setelah proses karbonisasi. Berikut merupakan prosedur pembuatan arang aktif :

1. Pembuatan arang granular

Arang yang dihasilkan dari proses karbonisasi atau pengarangan dipecah-pecah menjadi bentuk granular kira-kira berukuran sebesar kerikil (diameter 2- 3 cm) dengan menggunakan alat pemukul (hammer mill). Apabila bahan baku berupa kayu bulat atau tempurung kelapa, maka digunakan alat pencacah (crusher). Hal ini dilakukan dengan maksud memperbesar bidang kontak antara bahan baku dengan bahan pengaktif.

2. Perendaman dalam bahan kimia

Arang dimasukkan ke dalam wadah yang berisi larutan bahan kimia seperti ZnCl2, CaCl2, MgCl2, NaOH atau H3PO4 dalam konsentrasi yang berbeda-beda tergantung jenis bahan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ZnCl2, NaOH, dan H3PO4 merupakan bahan kimia yang cukup baik untuk digunakan dalam aktivasi arang. Lama perendaman sekitar 12-24 jam dan kemudian ditiriskan dengan meletakkan di tempat terbuka sehingga air permukaannya hilang.

19

3. Pengemasan

Arang aktif yang telah kering dikemas di dalam kantung plastik yang terlindung dari udara. Pengemasan dalam ukuran besar dapat menggunakan karung plastik yang didalamnya dilapisi lembaran plastik (Sudrajat dan Pari, 2011).

2.3.3 Kualitas arang aktif

Kualitas arang aktif tergantung dari jenis bahan baku, teknologi pengolahan, cara pengerjaan, dan ketepatan penggunaannya. Standar mutu arang aktif di Indonesia mengacu pada Standar Industri Indonesia SII 0258 – 79 yang kemudian direvisi menjadi SNI 06 _– 3730 _– 1995 seperti yang ditampilkan dalam Tabel 2.1 dan Tabel 2.2 berikut :

Tabel 2.1 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SII. 0258-79

Uraian Prasyarat Kualitas

Bagian yang hilang pada pemanasan 950oC (%) Maksimal 15

Kadar air (%) Maksimal 10

Kadar abu (%) Maksimal 2.5

Bagian yang mengarang -

Daya serap terhadap I2 (%) Minimal 20

Sumber: Sudrajat dan Pari, 2011

Tabel 2.2 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SNI 06 – 3730 – 1995

Uraian _Butiran Prasyarat Kualitas _Serbuk

Bagian yang hilang pada pemanasan 900oC

(%) Maksimal 15 Maksimal 25

Kadar air (%) Maksimal 4.5 Maksimal 15

Kadar abu (%) Maksimal 2.5 Maksimal 10

Bagian tidak mengarang - -

Daya serap terhadap I2 (mg/g) Minimal 750 Minimal 750

Karbon aktif murni (%) Minimal 80 Minimal 65

Daya serap terhadap benzena (%) Minimal 25 -

Daya serap terhadap biru metilen (mg/g) Minimal 60 Minimal 120

Berat jenis curah (g/ml) 0.45 _– 0.55 0.3 _– 0.35

Lolos mesh 325 (%) - Minimal 90

Jarak mesh (%) 90 -

1. Kadar air

Prinsip dalam penentuan kadar air adalah pemanasan pada suhu 105oC selama 4 jam sehingga tercapai massa konstan. Berdasarkan SNI 06 – 3730 – 1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki kadar air maksimal 15%.

Penetapan kadar air bertujuan untuk mengetahui sifat higroskopis arang aktif yang dihasilkan (Kurniawan dan Sutapa, 2009). Penentuan kadar air dapat dilakukan dengan asumsi bahwa dalam karbon aktif tersebut hanya air yang merupakan senyawa mudah menguap. Pada dasarnya penentuan kadar air adalah dengan menguapkan air dari arang aktif dengan pemanasan 105oC hingga diperoleh berat konstan. Penetapan kadar air bertujuan untuk mengetahui sifat higroskopis arang aktif, dimana arang aktif mempunyai sifat salinitas yang besar terhadap air (Jankowska et al., 1991).

2. Kadar zat mudah menguap

Prinsip dalam penentuan kadar zat mudah menguap adalah pemanasan pada suhu 900o_{C selama 15 menit sehingga tercapai berat konstan. Berdasarkan SNI} 06 – 3730 – 1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki kadar mudah menguap maksimal 25%.

3. Kadar abu total

Prinsip dalam penentuan kadar abu adalah pemanasan pada suhu 650oC hingga diperoleh abu. Berdasarkan SNI 06 _– 3730 _– 1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki kadar abu maksimal sebesar 10%.

21

4. Kadar karbon

Fraksi karbon dalam arang aktif adalah hasil dari proses pengarangan selain air, abu, dan zat-zat mudah menguap. Sehingga dalam perhitungannya kadar karbon dapat ditentukan melalui selisih persentase total dengan jumlah persentase kadar air, kadar zat mudah menguap, dan kadar abu dari arang aktif (Sudrajat dan Pari, 2011). Berdasarkan SNI 06 _– 3730 _– 1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki kadar karbon aktif murni minimal 65%.

5. Daya serap terhadap metilen biru

Metilen biru merupakan salah satu zat warna thiazin yang sering digunakan dalam proses pewarnaan karena harganya ekonomis dan mudah diperoleh. Zat warna metilen biru merupakan zat warna dasar yang penting dalam proses pewarnaan kulit, kain mori, kain katun serta bahan pakaian lainnya. Penggunaan metilen biru dapat menimbulkan beberapa efek seperti iritasi saluran pencernaan jika tertelan, menimbulkan gangguan pernafasan jika terhirup, dan iritasi jika tersentuh pada kulit (Hamdaoui, dan Chiha, 2006). Berdasarkan SNI 06 _– 3730 _– 1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki daya serap terhadap metilen biru minimal 120 mg/g.

6. Daya serap terhadap iodin

Adsorpsi iodin dilakukan untuk menentukan kapasitas adsorpsi arang aktif. Angka iodin didefinisikan sebagai jumlah miligram iodin yang diadsorpsi oleh satu gram arang aktif (Jankowska et al., 1991). Menurut Pari, 2009 penentuan daya serap terhadap iodin bertujuan untuk mengetahui kemampuan arang aktif untuk menyerap larutan berwarna dengan ukuran molekul kurang dari 10 Å atau 1

dalam bentuk serbuk yang baik memiliki daya serap terhadap iodin minimal 750 mg/g.

2.4 Spektroskopi

Spektroskopi adalah pengukuran serapan dari interaksi antara radiasi elektromagnetik dengan zat-zat. Spektroskopi penting sekali bagi ahli kimia karena absorpsi energi dari spektrum elektromagnetik dapat dikorelasikan dengan struktur dari senyawanya. Pengetahuan ini dapat digunakan untuk mendapatkan informasi mengenai ikatan suatu senyawa untuk menentukan rumus bangun suatu senyawa yang tak diketahui atau untuk mengukur banyaknya senyawa tertentu. Sehingga dengan mengetahui struktur dari suatu senyawa, seorang ahli kimia dapat meramalkan sifat-sifat dari suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Warna adalah salah satu kriteria untuk mengidentifikasi suatu objek. Pada analisis spektrokimia, spektrum radiasi elektromagnetik digunakan untuk menganalisis spesies kimia dan menelaah interaksinya dengan radiasi elektromagnetik. Persamaan Planck menunjukkan bahwa E = hƲ, dimana E adalah energi foton, _Ʋ adalah frekuensinya, sedangkan h adalah tetapan Planck (6,624 x 10-27 J detik). Suatu foton memiliki energi tertentu dan dapat menyebabkan transisi tingkat energi suatu atom atau molekul. Karena tiap spesies kimia mempunyai tingkat-tingkat energi yang berbeda, maka transisi perubahan energinya juga berbeda (Khopkar, 2014).

Radiasi elektromagnetik adalah energi yang dipancarkan dari suatu sumber lalu diteruskan melalui ruang angkasa atau suatu zat dalam bentuk gelombang (Fessenden dan Fessenden, 2010). Radiasi berinteraksi dengan spesies kimia, dan kita dapat memperoleh informasi mengenai spesies tersebut. Interaksi ini dapat

23

berupa refleksi, refraksi, dan difraksi. Cara interaksi dengan suatu sampel dapat dilakukan dengan absorpsi, pemendaran (luminenscence), emisi dan penghamburan (scattering), tergantung dari sifat materi (Khopkar, 2014).

Apabila suatu senyawa mengabsorpsi energi, ia akan mengalami keadaan transisi ke berbagai tingkat energi. Misalnya, semua ikatan kovalen dari suatu senyawa akan terus-menerus bergetar dan berputar. Ikatan yang sedang bergetar dapat mengabsorpsi energi dan akan bergerak ke arah tingkat getaran energi yang lebih tinggi. Keadaan getar suatu ikatan terbatas. Suatu ikatan hanya dapat bergetar pada suatu tingkat energi. Oleh sebab itu, suatu ikatan hanya dapat mengabsorpsi foton dari energi tertentu untuk mengeksitasi ikatan tersebut bergetar ke tingkat energi lebih tinggi (Fessenden dan Fessenden, 2010). Biasanya spektra absorpsi atom merupakan puncak yang sempit. Sedangkan absorpsi molekul, molekul poliatom dalam keadaan terkondensasi akan membutuhkan energi yang lebih besar. Energi total adalah jumlah dari energi elektronik, vibrasi, dan rotasi suatu molekul (Khopkar, 2014).

Panjang gelombang (λ) atau frekuensi (_Ʋ) yang diabsorpsi senyawa dapat diukur menggunakan alat yang disebut spektrofotometer. Radiasi elektromagnetik dari sumber radiasi akan melewati sampel, dan ditangkap lalu dicatat oleh detektor. Pengukuran menggunakan spektrofotometer menghasilan spektrum yang merupakan grafik dari panjang gelombang dan energi yang diabsorpsi oleh suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010). Pada penelitian ini digunakan spektrofotometer FTIR sehingga spektrum inframerah yang didapat akan membantu mengidentifikasi gugus fungsi dalam molekul arang aktif, dan

spektrofotometer UV-Vis digunakan untuk analisis kuantitatif daya serap arang aktif terhadap metilen biru.

2.4.1 Spektroskopi Inframerah

Spektroskopi inframerah membantu dalam mengidentifikasi jenis ikatan yang terdapat dalam suatu senyawa. Dengan mengetahui jenis ikatan kovalen yang ada dan mana yang tidak, kita dapat memperkirakan gugus fungsi yang ada atau tidak ada dalam suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Dalam spektrofotometer FTIR, radiasi inframerah yang panjang gelombangnya makin besar dialirkan melalui sampel, lalu persentase transmisinya diukur. Persentase transmisi berbanding terbalik dengan ukuran absorpsi dari radiasi inframerah. Secara teoritis apabila suatu senyawa tak mengabsorpsi radiasi pada suatu panjang gelombang, berarti transmisinya 100%. Apabila semua radiasi diabsorpsi oleh sampel maka transmisinya 0% (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Spektrum inframerah adalah grafik dari persentase transmitan dengan kenaikan panjang gelombang atau penurunan frekuensi. Puncak dalam spektrum inframerah menunjukkan absorpsi dari radiasi inframerah oleh sampel pada frekuensi tersebut. Intensitas relatif dari tiap kumpulan frekuensi adalah khas untuk setiap jenis ikatan, misalnya C-H atau C=O (Fessenden dan Fessenden, 2010). Gambar 2.5 menggambarkan absorpsi-absorpsi beberapa gugus fungsi dalam spektrum inframerah :

25

Gambar 2.5 Absorpsi dalam Spektrum Inframerah (Sumber: Fessenden dan Fessenden, 2010)

Daerah spektrum inframerah antara 4000 _– 1400 cm-1 _{disebut daerah gugus} fungsi. Bagian dari spektrum ini menunjukkan absorpsi yang timbul karena ikatan dan gugus fungsi. Kebanyakan puncak absorpsi dalam daerah spektrum ini dengan mudah dikenal berasal dari gugus fungsi yang khas. Daerah spektrum inframerah antara 1400 – 600 cm-1 dinamakan daerah sidik jari. Absorpsi dari bermacam-macam perubahan menyebabkan daerah spektrum ini manjadi kompleks dan umumnya sukar diartikan. Akan tetapi, kita dapat mengenal suatu senyawa dengan membandingkan spektrum tersebut dengan spektrum senyawa yang ada dalam literatur. Apabila spektrum suatu sampel mempunyai pola yang sama baik dalam daerah gugus fungsi ataupun dalam daerah sidik jari, berarti senyawa tersebut sejenis (Fessenden dan Fessenden, 2010). Hal penting yang perlu diingat saat menginterpretasikan spektrum IR adalah lebih baik untuk meneliti semua spektrum daripada melihat bagian demi bagian (Khopkar, 2014). Gambar 2.6 berikut adalah contoh spektrum yang dihasilkan spektrofotometer FTIR terhadap sampel biokarbon yang berasal dari daun tanaman gumitir (Tagetes erecta) :

Gambar 2.6 Contoh Spektrum Inframerah Biokarbon yang Berasal dari Daun Tanaman Gumitir (Tagetes erecta)(Sumber: Singanan dan Peters, 2013)

2.4.2 Spektroskopi Ultraviolet dan Cahaya Tampak (UV-Vis)

Radiasi foton ultraviolet dan cahaya tampak mempunyai energi yang lebih tinggi dari foton inframerah. Baik radiasi UV atau cahaya tampak apabila diabsorpsi oleh suatu senyawa, hasilnya adalah transisi elektron dari keadaan dasar (keadaan energi terendah) suatu senyawa ke keadaan energi yang lebih tinggi karena tereksitasi. Transisi elektronik ini dapat dikorelasikan dengan panjangnya penyatuan ikatan π dari suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Pengukuran absorbansi atau transmitansi dalam spektroskopi ultraviolet dan daerah tampak digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif spesies kimia. Absorbansi spesies ini berlangsung dalam dua tahap, yang pertama yaitu M + hƲ = M*, merupakan eksitasi spesies akibat absorpsi foton (h_Ʋ) dengan waktu hidup terbatas (10-8-10-9detik). Tahap kedua adalah relaksasi dengan berubahnya M* menjadi spesies baru dengan reaksi fotokimia. Absorpsi dalam daerah ultraviolet dan daerah tampak menyebabkan eksitasi elektron ikatan. Puncak absorpsi (λmaks)

27

dapat dihubungkan dengan jenis ikatan-ikatan yang ada dalam spesies. Spektroskopi absorpsi berguna untuk mengkarakterisasikan gugus fungsi dalam suatu molekul dan untuk analisis kuantitatif (Khopkar, 2014).

Panjang gelombang dari ultraviolet dan cahaya tampak diukur dalam nanometer (nm) dengan 1 nm = 10-9 m. Ada juga dengan satuan angstrom dengan 1 Å = 10-10 _{m. Panjang gelombang dari radiasi cahaya tampak yang dapat kita} lihat antara 400 nm (sinar violet) dan 750 nm (sinar merah). Panjang gelombang tersebut di antaranya memberikan warna biru, hijau, kuning, oranye, dan warna-warna antara. Radiasi UV tak terlihat oleh mata, tetapi dapat menyebabkan luka bakar (misalnya luka bakar karena matahari) dengan kisaran panjang gelombang (100-400 nm) (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Dalam spektrum UV dan cahaya tampak, dibuat perbandingan panjang gelombang dengan absorpsi. Untuk analisis kuantitatif dalam spektroskopi absorpsi, digunakan hukum Lambert-Beer dimana absorpsi (A) merupakan logaritma dari perbandingan antara intensitas radiasi sinar yang masuk pada sampel (I0) dengan radiasi sinar yang keluar (It) sehingga dapat ditunjukkan dalam

persamaan berikut:

(a) adalah absorptivitas molar (absorpsi/M), (b) adalah panjang sel pada sampel (cm), dan (c) adalah konsentrasi sampel (M). Berdasarkan persamaan di atas, dapat ditinjau bahwa intensitas sinar monokromatis berkurang secara eksponensial bila konsentrasi zat pengabsorpsi bertambah. Sehingga jika suatu sistem mengikuti hukum Lambert-Beer, maka grafik antara absorbansi terhadap konsentrasi akan menghasilkan garis lurus melalui (0,0). Kurva linier akan

(Y) adalah absorbansi, (X) adalah konsentrasi zat pengabsorpsi, (b) adalah slope, dan (a) adalah intersep. Nilai absorbansi larutan sampel kemudian diekstrapolasi hingga memotong garis regresi linier, kemudian ditarik garis tegak lurus hingga memotong sumbu X, dan konsentrasi sampel dapat ditentukan. Sehingga hukum Lambert-Beer diatas merupakan persamaan mendasar untuk spektroskopi absorpsi (Khopkar, 2014).

berupa refleksi, refraksi, dan difraksi. Cara interaksi dengan suatu sampel dapat dilakukan dengan absorpsi, pemendaran (luminenscence), emisi dan penghamburan (scattering), tergantung dari sifat materi (Khopkar, 2014).

Apabila suatu senyawa mengabsorpsi energi, ia akan mengalami keadaan transisi ke berbagai tingkat energi. Misalnya, semua ikatan kovalen dari suatu senyawa akan terus-menerus bergetar dan berputar. Ikatan yang sedang bergetar dapat mengabsorpsi energi dan akan bergerak ke arah tingkat getaran energi yang lebih tinggi. Keadaan getar suatu ikatan terbatas. Suatu ikatan hanya dapat bergetar pada suatu tingkat energi. Oleh sebab itu, suatu ikatan hanya dapat mengabsorpsi foton dari energi tertentu untuk mengeksitasi ikatan tersebut bergetar ke tingkat energi lebih tinggi (Fessenden dan Fessenden, 2010). Biasanya spektra absorpsi atom merupakan puncak yang sempit. Sedangkan absorpsi molekul, molekul poliatom dalam keadaan terkondensasi akan membutuhkan energi yang lebih besar. Energi total adalah jumlah dari energi elektronik, vibrasi, dan rotasi suatu molekul (Khopkar, 2014).

Panjang gelombang (λ) atau frekuensi (_Ʋ) yang diabsorpsi senyawa dapat diukur menggunakan alat yang disebut spektrofotometer. Radiasi elektromagnetik dari sumber radiasi akan melewati sampel, dan ditangkap lalu dicatat oleh detektor. Pengukuran menggunakan spektrofotometer menghasilan spektrum yang merupakan grafik dari panjang gelombang dan energi yang diabsorpsi oleh suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010). Pada penelitian ini digunakan spektrofotometer FTIR sehingga spektrum inframerah yang didapat akan membantu mengidentifikasi gugus fungsi dalam molekul arang aktif, dan

spektrofotometer UV-Vis digunakan untuk analisis kuantitatif daya serap arang aktif terhadap metilen biru.

2.4.1 Spektroskopi Inframerah

Spektroskopi inframerah membantu dalam mengidentifikasi jenis ikatan yang terdapat dalam suatu senyawa. Dengan mengetahui jenis ikatan kovalen yang ada dan mana yang tidak, kita dapat memperkirakan gugus fungsi yang ada atau tidak ada dalam suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Dalam spektrofotometer FTIR, radiasi inframerah yang panjang gelombangnya makin besar dialirkan melalui sampel, lalu persentase transmisinya diukur. Persentase transmisi berbanding terbalik dengan ukuran absorpsi dari radiasi inframerah. Secara teoritis apabila suatu senyawa tak mengabsorpsi radiasi pada suatu panjang gelombang, berarti transmisinya 100%. Apabila semua radiasi diabsorpsi oleh sampel maka transmisinya 0% (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Spektrum inframerah adalah grafik dari persentase transmitan dengan kenaikan panjang gelombang atau penurunan frekuensi. Puncak dalam spektrum inframerah menunjukkan absorpsi dari radiasi inframerah oleh sampel pada frekuensi tersebut. Intensitas relatif dari tiap kumpulan frekuensi adalah khas untuk setiap jenis ikatan, misalnya C-H atau C=O (Fessenden dan Fessenden, 2010). Gambar 2.5 menggambarkan absorpsi-absorpsi beberapa gugus fungsi dalam spektrum inframerah :

Gambar 2.5 Absorpsi dalam Spektrum Inframerah (Sumber: Fessenden dan Fessenden, 2010)

Daerah spektrum inframerah antara 4000 _– 1400 cm-1 _{disebut daerah gugus} fungsi. Bagian dari spektrum ini menunjukkan absorpsi yang timbul karena ikatan dan gugus fungsi. Kebanyakan puncak absorpsi dalam daerah spektrum ini dengan mudah dikenal berasal dari gugus fungsi yang khas. Daerah spektrum inframerah antara 1400 – 600 cm-1 dinamakan daerah sidik jari. Absorpsi dari bermacam-macam perubahan menyebabkan daerah spektrum ini manjadi kompleks dan umumnya sukar diartikan. Akan tetapi, kita dapat mengenal suatu senyawa dengan membandingkan spektrum tersebut dengan spektrum senyawa yang ada dalam literatur. Apabila spektrum suatu sampel mempunyai pola yang sama baik dalam daerah gugus fungsi ataupun dalam daerah sidik jari, berarti senyawa tersebut sejenis (Fessenden dan Fessenden, 2010). Hal penting yang perlu diingat saat menginterpretasikan spektrum IR adalah lebih baik untuk meneliti semua spektrum daripada melihat bagian demi bagian (Khopkar, 2014). Gambar 2.6 berikut adalah contoh spektrum yang dihasilkan spektrofotometer FTIR terhadap sampel biokarbon yang berasal dari daun tanaman gumitir (Tagetes erecta) :

Gambar 2.6 Contoh Spektrum Inframerah Biokarbon yang Berasal dari Daun Tanaman Gumitir (Tagetes erecta)(Sumber: Singanan dan Peters, 2013) 2.4.2 Spektroskopi Ultraviolet dan Cahaya Tampak (UV-Vis)

Radiasi foton ultraviolet dan cahaya tampak mempunyai energi yang lebih tinggi dari foton inframerah. Baik radiasi UV atau cahaya tampak apabila diabsorpsi oleh suatu senyawa, hasilnya adalah transisi elektron dari keadaan dasar (keadaan energi terendah) suatu senyawa ke keadaan energi yang lebih tinggi karena tereksitasi. Transisi elektronik ini dapat dikorelasikan dengan

panjangnya penyatuan ikatan π dari suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Pengukuran absorbansi atau transmitansi dalam spektroskopi ultraviolet dan daerah tampak digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif spesies kimia. Absorbansi spesies ini berlangsung dalam dua tahap, yang pertama yaitu M + hƲ

= M*, merupakan eksitasi spesies akibat absorpsi foton (h_Ʋ) dengan waktu hidup terbatas (10-8-10-9detik). Tahap kedua adalah relaksasi dengan berubahnya M* menjadi spesies baru dengan reaksi fotokimia. Absorpsi dalam daerah ultraviolet dan daerah tampak menyebabkan eksitasi elektron ikatan. Puncak absorpsi (λmaks)

dapat dihubungkan dengan jenis ikatan-ikatan yang ada dalam spesies. Spektroskopi absorpsi berguna untuk mengkarakterisasikan gugus fungsi dalam suatu molekul dan untuk analisis kuantitatif (Khopkar, 2014).

Panjang gelombang dari ultraviolet dan cahaya tampak diukur dalam nanometer (nm) dengan 1 nm = 10-9 m. Ada juga dengan satuan angstrom dengan 1 Å = 10-10 _{m. Panjang gelombang dari radiasi cahaya tampak yang dapat kita} lihat antara 400 nm (sinar violet) dan 750 nm (sinar merah). Panjang gelombang tersebut di antaranya memberikan warna biru, hijau, kuning, oranye, dan warna-warna antara. Radiasi UV tak terlihat oleh mata, tetapi dapat menyebabkan luka bakar (misalnya luka bakar karena matahari) dengan kisaran panjang gelombang (100-400 nm) (Fessenden dan Fessenden, 2010).

Dalam spektrum UV dan cahaya tampak, dibuat perbandingan panjang gelombang dengan absorpsi. Untuk analisis kuantitatif dalam spektroskopi absorpsi, digunakan hukum Lambert-Beer dimana absorpsi (A) merupakan logaritma dari perbandingan antara intensitas radiasi sinar yang masuk pada sampel (I0) dengan radiasi sinar yang keluar (It) sehingga dapat ditunjukkan dalam persamaan berikut:

(a) adalah absorptivitas molar (absorpsi/M), (b) adalah panjang sel pada sampel (cm), dan (c) adalah konsentrasi sampel (M). Berdasarkan persamaan di atas, dapat ditinjau bahwa intensitas sinar monokromatis berkurang secara eksponensial bila konsentrasi zat pengabsorpsi bertambah. Sehingga jika suatu sistem mengikuti hukum Lambert-Beer, maka grafik antara absorbansi terhadap konsentrasi akan menghasilkan garis lurus melalui (0,0). Kurva linier akan mengikuti persamaan:

(Y) adalah absorbansi, (X) adalah konsentrasi zat pengabsorpsi, (b) adalah slope, dan (a) adalah intersep. Nilai absorbansi larutan sampel kemudian diekstrapolasi hingga memotong garis regresi linier, kemudian ditarik garis tegak lurus hingga memotong sumbu X, dan konsentrasi sampel dapat ditentukan. Sehingga hukum Lambert-Beer diatas merupakan persamaan mendasar untuk spektroskopi absorpsi (Khopkar, 2014).