BAB III DASAR TEORI
3.2. Karbon Aktif
Karbon aktif merupakan suatu padatan yang berpori yang mengandung 85 –
95 % karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan
pemanasan pada suhu tinggi sehingga diperoleh luas permukaan yang sangat
besar, dimana ukurannya berkisar antara 300 – 2000 m2 /gr. Luas permukaan yang
besar dari struktur dalam pori-pori karbon aktif dapat terus dikembangkan,
uap-uap dari gas dan juga dapat menguraikan zat-zat dari liquida (Kirk-Othmer,
1992).
Gambar 3. Klasifikasi material karbon (Byrne and Mars,1995)
Karbon berbeda dengan intan dan grafit yang memiliki komposisi atas karbon murni sedangkan arang aktif merupakan material karbon yang masih mengandung unsur lain, seperti oksigen dan hydrogen dan unsur lain yang membentuknya. Arang aktif disebut juga karbon berpori yaitu karbon dalam bentuk non grafit yang memiliki luas permukaan internal 300-3500 m2 tiap gramnya (Byrne dan Marsh,1995).
Grafit mempunyai massa jenis yang rendah yaitu 2,3 g/ cm3 . Strukturnya yang tidak terlalu padat karena ikatan yang lemah antara tiap lapisan menyebabkan tiap lapisan dapat dipindah yang memungkinkan sifat licin .diantara
Material Karbon
Karbon Murni Karbon Tidak Murni
Intan Grafi t Karbon tidak murni bersifat grafit Karbon tidak murni tidak bersifat grafit
Tidak dapat digrafitkan
(isotropis) contoh karbon aktif Dapat digrafitkan
(anisotropis) contoh
tiap lapisan, atom karbon terikatnya hanya dengan 3 atom karbon lainnya, sehingga terdapat ikatan rangkap dan tunggal secara bergantian.
Gambar 4. Struktur grafit (Muna, 2011)
Perbedaan grafit dan amorf, yaitu pada proses pembentukannya. Pada proses pembentukan grafit berlangsung secara lambat ,sehingga atom penyusun partikel zat padat dapat menempatkan posisinya sendiri. Keadaan ini cenderung membentuk susunan yang teratur dan juga berulang pada arah tiga dimensi, sehingga terbentuk keteraturan susunan atom dalam jangkauan yang jauh. Pada karbon amorf proses pembentukannya berlangsung cepat, sehingga atom tidak memiliki waktu untuk menata diri dengan teratur, hasilnya terbentuklah susunan yang memiliki tingkat energy yang lebih tinggi. Atom ini mempunyai keteraturan dengan jangkauan terbatas (Muna,2011).
Karbon aktif adalah suatu bentuk arang yang telah melalui tahap aktivasi menggunakan gas CO2, uap air atau bahan- bahan kimia sehingga pori-porinya terbuka dan dengan begitu daya adsopsi meningkat terhadap zat warna dan bau. Karbon aktif mengandung 5 hingga 15 persen air, 2 sampai 3 persen abu dan
sisanya terdiri dari karbon. Karbon yang sekarang banyak digunakan berbentuk butiran (granular) atau serbuk (bubuk atau tepung) ( Wijaja,2009).
Keadaan pori-pori yang terbentuk mempengaruhi besarnya daya serap karbon aktif. Adapun jenis dari pori-pori meliputi :
1. Mikropori yang mempunyai ukuran dibawah 40 Å 2. Mesopori yang mempunyai ukuran antara 40-5000 Å 3. Makropori yang mempunyai ukuran diatas 5000 Å
Pada bahan baku yang berbeda dan perlakuan yang berbeda juga menghasilkan bentuk pori-pori yang berbeda pula. Pada karbon aktif dengan bentuk mikropori sangat bagus untuk menyerap molekul gas dan dengan tingkat kontaminan rendah.Sedangkan karbon aktif dengan dominsi bentuk makropori sangat sesuai untuk menyerap molekul yang besar seperti molekul cairan (CCI, 2006).
Karbon aktif yang baik merupakan terdiri dari banyak senyawa karbon seperti selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Selulosa merupakan senyawa organic dengan formula ( C6H10 O5)n yang terdapat dalam dinding sel dan berfungsi sebagai pengokoh struktur. Kandungan selulosalah yang menyebabkan tandan pisang keras.Sedangakan hemiselulosa adalah polimer polisakarida heterogen yang yang tersusun dari D-glukosa, L-arabiosa, dan D- xilosa yang mengisi ruang antara serat selulosa didalam dinding sel tumbuhan. Selain selulosa dan hemiselulosa tumbuhan juga mengandung lignin yang merupakan senyawa kimia kompleks berstruktur amorf. Semakin banyak selulosa,hemiselulosa dan lignin maka semakin baik karbon aktif yang dihasilkan ( Yahsito,2006).
Gambar 5. Struktur selulosa
Menurut Standart Industri Indonesia (SII No. 0258-88) yang dikeluarkan oleh Departemen Perindustrian, persyaratan karbon aktif adalah sebagai berikut:
Tabel 2. Standar Karbon Menurut SII No. 0258-88
Parameter Persentase
Bagian yang hilang pada suhu 9500C 25 %
Kandungan air 15%
Kandungan abu 10%
Bagian yang tidak di perarang Tidak ada
Daya serap I2 Minimal 20%
Dekindo.,LIPI, 1998/1999
Saat ini, arang aktif telah digunakan secara luas dalam industri kimia, makanan atau minuman dan farmasi.Pada umumnya arang aktif digunakan sebagai bahan penyerap, dan penjernih.Dalam jumlah kecil digunakan juga sebagai katalisator (lihat Tabel 3).
Tabel 3 Kegunaan Arang Aktif
Maksud/Tujuan Pemakaian
UNTUK GAS
a. Pemurnian Gas Desulfurisasi,menghilangkan gas beracun, bau busuk ,asap,menyerap racun
b. Pengolahan LNG Desulfurisasi dan penyaringan berbagai bahan mentah dan reaksi gas
c. Katalisator Reaksi katalisator atau pengangkut vinil klorida dan vinil asetat
d. Lain-lain Menghilangkan bau dalam kamar
pendingin dan mobil UNTUK ZAT CAIR
a. Industry obat dan makanan Menyaring dan menghilangkan warna, bau,rasa yang tidak enak pada makanan b. Minuman ringan,minuman
keras
Menghilangkan warna, bau pada ara/ minuman keras dan minuman ringan c. Kimia perminyakan Penyulingan bahan mentah, zat perantara d. Pembersih air Menyaring/menghilangkan bau, warna,
zat pencemar dalam air, sebagai
perlindungan dan penukaran resin dalam alat/penyulingan air
e. Pembersih air buangan Mengatur dan membersihkan air
buangan dan pencemar,warna,bau,logam berat
f. Penambakan udang dan benur Pemurnian, menghilangkanbau dan warna
g. Pelaryt yang digunakan kembali
Penarikan kembali berbagai pelarut,sisa methanol,etil asetat,dan lain-lain
LAIN-LAIN
a. Pengolahan pulp Pemurnian, menghilangkan bau b. Pengolahan pupuk Pemurnian
c. Pengolahan emas Pemurnian
d. Penyaringan minyak makan dan glukosa
Menghilangkan bau, warna dan rasa tidak enak
(http://www.pdii.lipi.go.id/- PDII-LIPI, 2011)
Menurut Kirk Othmer pada tahun 1964 menyatakan apabila karbon aktif mempunyai dua bentuk. Adapun dua bentuk karbon aktif tersebut diklasifikasikan sesuai dengan sifat dan kegunaannya:
1. Bentuk powder / serbuk
Merupakan bubuk hitam yang biasanya digunakan untuk keperluan adsorbsi dalam fase liquid untuk proses pemurnian larutan.
2. Bentuk granulat / butiran
Tipe granulat tidak hanya efektif untuk proses adsorbsi gas tetapi juga efektif untuk adsorbsi fase liquid.
Faktor yang mempengaruhi daya serap arang aktif adalah:
1. Sifat fisika dan kimia dari arang antara lain luas permukaannya dan ukuran lubang
2. Sifat fisika dan kimia dari adsorbant (gas / larutan yang akan diberi arang aktif ) antara lain ukuran molekul, muatan molekul susunan komposisi kimia
3. Konsentrasi adsorbant dalam fase liquid
4. Sifat karakteristik dalam keadaan liquid antara lain pH dan temperatur 5. Waktu tinggal
( Cheremisinoff, 1978).
3.2.1. Struktur Fisik dan Struktur Kimia Karbon Aktif
Struktur dasar karbon aktif berupa struktur kristalin yang sangat kecil (mikrokristalin). Karbon aktif memiliki bentuk amorf yang tersusun atas lapisan bidang datar dimana atom-atom karbon tersusun dan terikat secara kovalen dalam tatanan atom-atom heksagonal. Gambar 6 menunjukkan skema struktur karbon aktif. Setiap garis pada Gambar 6 menunjukkan lapisan atom-atom karbon yang berbentuk heksagonal dan adanya mikrokristalin dengan struktur grafit pada
karbon aktif (Sudibandriyo, 2003).
Gambar 6. Ilustrasi Skema Struktur Karbon Aktif (Sudibandriyo, 2003).
Karbon aktif disususn oleh atom karbon yang terikat secara kovalen dalam suatu kisi yang hexagonal. Hal tersebut telah dibuktikan dengan penelitian menggunakan sinar-X yang menunjukkan adanya bentuk kristalin yang sangat kecil dengan struktur grafit.
Daerah kristalin memiliki ketebalan 0,7-1,1 nm, jauh lebih kecil dari grafit. Hal ini menunjukkan adanya 3 atau 4 lapisan atom karbon dengan kurang lebih terisi 20-30 heksagonal di tiap lapisannya.Rongga antara Kristal-kristal karbon diisi oleh karbon-karbon amorf yang berikatan secara tiga dimensi dengan atom lainnya terutama dengan atom oksigen.susunan karbon yang tidak teratur ini diselingi oleh retakan-retakan dan celah yang disebut pori dan kebanyakan berbentuk silindris.
Kemampuan karbon aktif mengadsorpsi ditentukan oleh struktur kimianya yaitu atom C,H dan O yang terikat secara kimia membentuk gugus fungsional seperti pada Gambar 7 berikut. gugus fungsional ini membuat permukaan karbon aktif reaktif secara kimiawi dan mempengaruhi sifat adsorpsiny ( Pujiyanto,2010).
Gambar 7. Gugus Aktif daru suatu Karbon Aktif (Jankowska,1991)
3.2.2. Jenis-jenis Karbon Aktif
Berdasarkan penggunaannya, karbon aktif terbagi menjadi 2 jenis yaitu karbon aktif untuk untuk fasa cair dan karbon aktif untuk fasa uap.
1. Karbon aktif untuk untuk fasa cair
Karbon aktif untuk fasa cair biasanya berbentuk serbuk. Karbon aktif untuk fasa cair biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis rendah seperti kayu, batubara lignit, dan bahan yang mengandung lignin seperti limbah hasil pertanian. Karbon aktif jenis ini banyak digunakan untuk pemurnian larutan dan penghilangan rasa dan bau pada zat cair misalnya untuk penghilangan polutan berbahaya seperti gas amonia dan logam berbahaya pada proses pengolahan air.
2. Karbon aktif untuk fasa uap
Karbon aktif untuk fasa uap biasanya berbentuk butiran/granular. Karbon
aktif jenis ini biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis lebih
besar seperti tempurung kelapa, batubara, dan residu minyak bumi. Karbon aktif
hasil pembakaran bahan bakar pada kendaraan seperti CO dan NOx.
Pernyataan mengenai bahan baku yang digunakan dalam pembuatan karbon
aktif untuk masing- masing jenis yang telah disebutkan bukan merupakan
suatu keharusan, karena ada karbon aktif untuk fasa cair yang dibuat dari bahan
yang mempunyai densitas besar, seperti tulang. Kemudian dibuat dalam
bentuk granular dan digunakan sebagai pemucat larutan gula. Begitu pula
dengan karbon aktif yang digunakan untuk fasa uap dapat diperoleh dari bahan
yang memliki densitas kecil, seperti serbuk gergaji (Sembiring, 2003).