TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Karbon Aktif
Karbon aktif merupakan karbon amorf dari pelat-pelat datar disusun oleh atom-atom C yang terikat secara kovalen dalam suatu kisi heksagonal datar dengan satu atom C pada setiap sudutnya yang luas permukaan berkisar antara 300 m2/g hingga 3500 m2/g dan ini berhubungan dengan struktur pori internal sehingga mempunyai sifat sebagai adsorben (Taryana.,2002).
Berlimpahnya tempurug kelapa sawit sebagai hasil dari industri minyak kelapa sawit mendorong keinginan untuk meningkatkan nilai ekonomi bahan tersebut.Salah satu upaya yang dilakukan adalah perosesan tempurung kelapa sawit menjadi karbon aktif. Bahan karbon aktif ini banyak digunakan dalam industri khususnya di bidang perminyakan,pengolahan air,industri gas, makanan dan minuman,obat-obatan dan industri kimia.
Karbon 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 karbon aktif yang telah dihaluskan.( Puspita, D., 2008)
Arang aktif tersusun dari suatu jaringan pori-pori yang rumit dan dapat dibagi menjadi dua bagian menurut ukuranya :
a. Makropori adalah pori-pori arang aktif deengan diameter lebih besar dari 500 Å. Pori-pori ini merupakan kapiler yang besar yang menyebar keseluruh bagian partikel.
b. Mikropori adalah arang aktif dengan diameter antara 10-500 Å dan merupakan cabang dari makropori.
Secara umum susunan pori-pori yang ada dalam karbon aktif berhubungan dengan permukaan luar dari partikel. Pori mikro merupakan cabang dari pori transisi dan dapat menyerap pelarut dan adsorbat dengan ukuran yang lebih kecil (Samuel, 1983).
Secara umum proses pembuatan karbon aktif dari tempurung kelapa sawit dilakukan dalam tiga tahap proses yaitu tahap persiapan, tahap karbonisasi, dan tahap aktivasi. Tahap persiapan dilakukan dengan pembersihan tempurung dari serabut dan sisa daging buah yang menempel di tempurung, dipanaskan dalam oven pada suhu 110oC selama satu jam.
Tahap karbonisasi dilakukan dengan memasukkan sejumlah tempurung kedalam peralatan furnace pada suhu antara 300-500 oC selama kurang lebih 3 jam. Tahap aktivasi dilakukan dengan perendaman dalam aktifatorkimia (NaCl, NaOH, dan HCl) dengan konsentrasi 2 % selama 1-4 jam (Singgih, 2010).
Karbonisasi adalah proses pemecahan/ peruraian selulosa menjadi karbon pada suhu sekitar 275o C (Tutik & Fauziah, 2001). Proses karbonisasi terdiri dari empat tahap yaitu:
Tahap I, pada suhu 100 -120o C terjadi penguapan air dan sampai pada suhu 270o C mulai terjadi peruraian selulosa. Distilat mengandung asam organik dan sedikit metanol. Asam asetat terbentuk pada suhu 200-270o C.
Tahap II, pada suhu 270 – 310o C reaksi eksotermik berlangsung dimana terjadi peruraian selulosa secara intensif menjadi larutan piroligant, gas kayu dan sedikit tar. Asam merupakan asam organik dengan titik didih rendah seperti asam asetat sedangkan gas yang dihasilkan terdiri dari CO dan CO2.
Tahap III, pada suhu 310 – 500o C terjadi peruraian lignin, lebih banyak dihasilkan tar sedangkan larutan piroligant menurun, gas CO2 menurun sedangkan gaas CO dan CH4 dan H2 meningkat.
Tahap IV, pada suhu 500-1000o C merupakan tahap pemurnian arang atau kadar karbon (Sudrajat, 1994).
Faktor faktor yang mempengaruhi proses karbonisasi adalah :
1. Waktu karbonisasi, bila waktu karbonisasai diperpanjang maka reaksi pirolisa semakin sempurna sehingga hasil arang menurun tetapi cairan dan gas makin meningkat. Waktu karbonisasi berbeda – beda tergantung pada jenis dan jumlah bahan yang akan diolah menjadi karbon aktif. Misalnya, untuk pengolahan tempurung kelapa menjadi karbon aktif dibutuhkan waktu selama 3 jam (BPPI Bogor, 1980), sekam padi kira-kira 2 jam( Joni, dkk., 19965) dan tempurung kemiri 1 jam ( Bardi & Mun’im, 1999).
2. Suhu karbonisasi, suhu karbonisasi yang berpengaruh terhadap hasil arang karena semakin tinggi suhu, arang yang diperoleh semakin berkurang tetapi cairan dan gas semakin meningkat. Hal ini disebabkan karena semakin banyak zat – zat terurai dan yang teruapkan. Untuk tempurung kemiri digunakan suhu karbonisasi 400o C (Bardi & Mun’im, 199), dan untuk tempurung kelapa digunakan suhu karbonisasi 600o C (BPPI Bogor,1980).
Aktivasi adalah perubahan secara fisik dimana luas permukaan dari karbon meningkat dengan tajam dikarenakan terjadinya penghilangan senyawa tar dan senyawa sisa-sisa pengarangan (Shreve, 1997). Daya serap karbon aktif akan semakin kuat bersamaan dengan meningkatnya konsentrasi dari aktivator yang ditambahakan. Hal ini memberikan pengaruh yang kuat untuk mengikat senyawa-senyawa tar keluar melewati mikro pori-pori dari karbon aktif sehingga permukaan dari karbon aktif tersebut semakin lebar dan luas yang mengakibatkan semakin besar pula daya serap karbon aktif tersebut.Metode yang dapat diguakan adalah, Aktivasi kimia, pada cara ini proses aktivasi dilakukan dengan mempergunakan bahan kimia sebagai bahan aktivator. Aktivasi arang ini dilakukan dengan merendam arang kedalam larutan kimia, misalnya ZnCl2, HNO3, KCl dan lain-lain, sehingga bahan kiia akanmeresap dan membuka permukaan arang yang semula tertutup oleh deposit tar. Aktivasi secara fisika, pada aktivasi ini menggunakan suhu tinggi dalam proses akivasi. Karbon atau arang dipanaskan pada suhu tinggi didalam sistem tertutup sambil dialiri gas inert. Dengan pemanasan yang tinggi tersebut terjadi reaksi lanjutan pemecahan atau penguraian sisa deposit tar dan senyawa hidrokarbon sisa karbonisasi yang keluar dari permukaan karbon akobat pemanasan pada suhu tigngi dan adanya aliran gas inert, sehingga akan dihasilkan karbon dengan luas permukaan yang cukup luas (Tutik & Fauziah, 2001).
Ada bebrapa faktor yanng mempengaruhi dalam proses aktivasi diantaranya : 1. Waktu aktivasi/ waktu perendaman, perendaman dengan bahan aktivasi ini
dimaksudkan untuk menghilangkan atau membatasi pembentukan lignin, karena adanya lignin dapat membentuk senyawa tar. Waktu perendaman untuk bermacam – macam senyawa aktivator tidaklah sama. Misalnya tempurung kelapa dengan aktivator ZnCl2 direndam selam 20 jam (Tutik & Fauziah, 2001), dengan H3PO4 perendaman sekitar 12-24 jam (Sudrajat, dkk., 2004).
2. Konsentrasi aktivator, semakin tinggi konsentrasi larutan kimia yang digunakan sebagai aktovator maka semakin semakin kuat pengaruh larutan tersebut mengikat senyawa-senyawa tar sisa karbonisasi untuk kelluar melewati mikro pori-pori dari karbon sehingga permukaan karbon semakin porous yang mengakibatkan semakin besar daya serap karbon aktif tersebut. Mekanisme aktivasi arang dengan larutan H3PO4 ditunjukkan dalam gambar dibawah ini :
Gambar 2.5. Mekanisme aktivasi arang aktif dengan larutan H3PO4.
Arang atau karbon semakin banyak mempunyai mikro pori-pori setelah dilakukan aktivasi, hal ini karena aktivator telah menikat senyawa – senyawa tar sisa karbonisasi keluar dari mikropori arang, sehingga permukaanya semakin porous (Tutik & Faizah, 2001)
(Singgih, 2010) Gambar 2.4. Hasil analisa SEM karbon aktif dari tempurung kelapa sebelum dan
Dua jenis perbedaan yang dipertimabangkan dalam pembuatan dan penggunaan karbon aktif adalah, untuk penggunaan pada fase cair karbon aktif yang digunakan biasanya digunakan yangmemiliki berat molekul kecil dan halus seperti serbuk. Sedangkan jika digunakan dalam fase atau pemurnian gas biasanya digunakan karbon aktif dengan berat dan ukuran yang lebih besar seperti berbentuk butiran atau seperti pil (Othmer, 1992).
Cangkang kelapa sawit merupakan bahan baku yang baik dalam pembuatan karbon aktif , memiliki tingkat porositas yang tinggi dengan aktivasi menggunakan asam pospat. Luas permukaan maksimum dengan BET pada suhu 700o C adalah 1915 cm2 g-1 . Distribusi ukuran pori dari karbon aktif didominasi oleh struktur mesopori. Modifikasi dengan uap air dan asam nitrat menghasilkan permukaan oksigen yang lebih luas dan menggandung gugus fungsi pada permukaanya berupa gugus fungsi asam (Allwar, 2012).
Perpaduan antara aktivasi kimia dan aktivasi fisika pada pembuatan karbon aktif dari cangkang kelapa sawit menghasilkan karbon aktif yang diaktivasi dengan menggunakan H3PO4 memiliki luas permukaan dan volume mikropori yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan karbon aktif yang diaktifasi dengan menggunakan ZnCl2 dan aktivasi secara fisika. Penggunaan sedikit ZnCl2 dan H3PO4 menghasilkan beberapa pori dengan ukuran kecil, hal tersebut dapat dikembangkan agar merata dengan menggunakan ekstra aktivasi secara fisika. Penggunaan aktifasi kimia dan fisika menghasilkan distribusi permukaan pori yang lebih merata. Dengan demikian pengunaan metode ini sangat baik digunakan untuk menggatur dan mengembangkan mikropori yang seragam dimana peningkatan kapasitas adsorbsi dari karbon aktif merata paddasemua permukaan karbon aktif (Arami.,daud.,Majli, 2010).
Cangkang kelapa sawit sebagai hasil samping industri pengolahan kelapa sawit telah digunakan sebagai bahan bakupebuatan karbon aktif dengan porositas yang
tinggi menggunakan aktifasi kimia, dengan KOH sebagai bahan pengaktifasi. Karbon aktif yang dihasilkan menunjukkan bahwa dihasilkan mikropori padasuhu redah dan mesopori pada suhu tinggi. Luas permukaan maksimum dengan metode BET dan volume dari mikropori karbon aktif yang dihasilkan adalah brturut turut yaitu 2301 m2g-1 dan 0.55 cm3g-1, dimana karbonbon aktif tersebut dihasilkan dari proses pemanasan pada suhu 800 oC. pengaruh penggunaan bahan kimia pada pembuatan karbn aktif adalah meningkatkan permukaan dengan gugus fungsi. Hasil yang didapat dengan menggunakan asam nitrat sebagai bahan dalam pembuatan meningkatkan gugus oksigen padapermukaan karbon aktif (Allwar, 2012).
2.3 Adsorbsi
Adsorbsi merupakan proses pengikatan suatu molekul baik dalam bentuk gas atau gas kedalam suatu padatan. Suatu bahan yang dapat menyerap dan mengikat suatu molekul disebut sebagai adsorben, dan zat yang diserap oleh adsorben adalah adsorbat. Proses adsorbsi biasanya dilakukan dengan cara mengontakkan adsorbat dengan adsorben, sehingga komponen larutan/gas terserap pada permukaan adsorben.
Proses adsorbsi dibagi sebagai berikut :
a. Adsorbsi fisika, terjadi apabila molekul adsorbat ditahan secara fisika oleh molekul adsorben dengan adanya gayua Van Der Waals. Adsorbsi ini terjadi karena adanya gaya tarik menarik antara molekul adsorben dengan molekul adsorbat. Pada proses adsorbsi ini adsorbat tidak terjadi perubahan kimia dan tiak menenmbus ke dalam kristal adsorben.
b. Adsorbsi kimia, proses adsorbsi ini terjadi karena adanya pertukaran elektron pada permukaan. Adsorbsi jenis ini terjadi akibat adanya interaksi kimia antara adsorben dengan bahan adsorbat. Adsorbsi secara kimia berlangsung searah (Treybal, 1981).
Adsorpsi zat dari fase cair ke permukaan fase padat dalam suatu sistem mengarah ke termodinamika didefinisikan sebagai distribusi dari zat antara dua fase
ketika sistem mencapai kesetimbangan; yaitu ketika tingkat adsorpsi zat terlarut ke permukaan adsorben adalah sama dengan laju desorpsinya dari permukaan adsorben. Oleh karena itu,tidak ada adsorpsi lanjut terjadi.
Beberapa hubungan matematis telah dikembangkan untuk menggambarkan distribusi kesetimbangan zat terlarut antarafase padat dan fase cair pada suhu konstan dan dengan demikian membantu dalam interpretasi proses adsorpsi. Model yang paling banyak digunakan adalah Langmuir dan isoterm Freundlich.keduanya berguna untuk menggambarkan kapasitas adsorpsi dari adsorben tertentu.
2.3.1 Isoterm Adsorbsi Langmuir
Persamaan Langmuir untuk system padat-cair biasanya ditulis seperti persamaan berikut ini :
�� =
KL:Ce
1 + bCe
Dimana qe adalah jumlah adsorbat per satuan berat adsorben (mg /g), Ce adalah konsentrasi adsorbat dalam larutan pada kesetimbangan setelah adsorbsi selesai (mg /L), KL adalah jumlah berat zat terlarut terserap/unit adsorben dalam membentuk monolayer lengkap di permukaan (mg /g), dan badalah konstanta terkait dengan energi atau entalpi adsorpsi. Bentuk persamaan linear Langmuir di tulis sebagai berikut : Ce qe = 1 �� + b ����
Oleh karena itu, plot Ce/qe vs Ce memberikan garis lurus dengan slope b /KL dan penyadapan 1/KL.
Karakteristik penting dari isoterm Langmuir dapat dinyatakan dalam sebuah konstanta, faktor pemisahan atau parameter keseimbangan yang didefinisikan sebagai berikut:
�= 1 1 + bC0
di mana Co adalah konsentrasi adsorbat awal (mg /L) dan b adalah konstanta Langmuir terkait dengan energia dsorpsi (L /mg). Nilai r menunjukkan bentuk adsorpsi isoterm adsorpsi untuk mengetahui apakah kurang baik(r>1), linear(r =1), baik (0 <r <1), atautidak reversibel((r =0).
2.3.2 Isoterm Adsorbsi Freundlich
Isotherm Adsorbsi Freundlich dapat diterapkan untuk adsorpsi nonideal pada permukaan heterogen serta multilayer penyerapan dan dinyatakan oleh persamaan berikut:
�� =����1/� Persamaan garis linearnya adalah :
log�� = log��+1 � �����
Dimana Kf adalah konstanta kesetimbangan Freundlich yang menunjukkan kapasitas serap dan n adalah indikasi konstanta Freundlich dari afinitas adsobat untuk permukaan adsorben, qe adalah jumlah adsorbat per satuan berat dari adsorben (mg /g), Ce adalah konsentrasi adsorbat dalam larutan pada kesetimbangan setelah adsorbsi selesai (mg /L) (K.Okiel et al, 2010).
2.4 Elektrolisis
Peristiwa elektrolisis terjadi ketika arus listrik dialirkan nmelalui senyawa ionik dan senyawa tersebut m,engalami reaksi kimia. Larutan elektrolit dapat menghantarkan listrik karena mengandung ion-ion yang dapat bergerak bebas.Ion-ion itulah yang dapat menghantarkan listrik melalui larutan.Hantarn listrik melalui larutan elektrolit terjadi sebagai berikut, sumber arus searah memberi muatan yang berbeda-beda pada kedua elektroda. Katoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutup negatif) bermuatan negatif,sedangkan anoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutup
positif ) bermuatan positif.spesi (ion, molekul, atau atom) tertentu dalam dalam larutan akan mengambil elektron dari katoda,sementara spesi lainya melepas elektron ke anoda.selanjutnya elektron akan daialirkan ke katoda melalui sumber arus searah. Elektrolit kuat mempunyaidaya hantar yang relatif baik meskipun konseantrasi relatif kecil, sedangkan elektrolit lemah mempunyaidaya hantar yang relatif buruk meskipun konsentrasinya relatif besar. Pada proses elektrolisis selain jenis larutan, jenis elektroda juga mempengaruhi hasil elektrolisis. Disini elektroda diplih berdasarkan kemampuanya untuk menghantarkan listrik ( bersifat konduktor). Maka elektroda yang dipilih adalahn bersifat logam. Jenis elektroda kita pilih berdasarkan deret volta dan segiekonomis.
Elektrolit adalah suatu zat terlarut atau terurai kedalam bentuk ion-ion dan selanjutnya lrutan menjadi konduktor elektrik.Umumnya, air adalah pelarut yang baik untuk senyawa ion dan mempunyai sifat menghantarkan listrik. Air murni adalah elektrolit yang buruk (Brady, 199)
Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang bereaksi secara tidak spontan (E0 sel(-) atau ΔG>0), karena energi listrik disuplai dari luar dan dialirkan melalui sebuah sel. Sel elektrolisis diartikan juga sebagai peristiwa penguraian zat elektrolit oleh arus listrik searah, sehingga terjadai perubahan kimia. Perubhan kimia yang terjadai dapat dilihat pada daerh sekitar elektroda. Eektroda adalah suatu sistem dua fasa yang terdiri dari sebuah penghantar elektrolit ( misalnya logam) dan sebuah penghantar ionik (larutan) ( Rivai., 1995). Elektroda positif disebut sebagai anoda dan elektroda negatif disebut katoda (Svehla, 1985).Reaksi kimia yang terjadi pada elektroda selama terjadinya konduksi listrik disebutr elektrolisis dan alat yang digunakan untuk reaksi ini disebut sel elektrolisis.Sel elektrolisis memerlukan energi untuk memopmpa elektron (Brady, 1999).
Berdasarkan penelitian yang pernah dilakukan faktor-faktor yang mempengaruhi proses elektrolisis yaitu kerapatan arus listrik, waktu, tegangan, kadar keasaman (pH), ketebalan plat dan jarak antar elektroda (Putero, 2008). Contoh diagram sederhana elektrolisis,
(Huang, Hung, Hsu & Hwang, 2007) Gambar 2.5. Oksidasi elektrolisis air
Secara umum proses elektrolisis terdiri dari beberapa bagian yaitu: a. Sumber Arus
Sumber arus yang dimaksud adalah sumber arus searah. b. Elektroda
Elektroda berfungsi sebagai penghantar arus listrik dari adaptor menuju larutan elektrolit sehingga terjadi proses elektrolisis.
Faktor-faktor yang dipertimbangkan ketika memilih bahan elektroda adalah stabilitas fisik dan kimiawi yang meliputi ketahanan terhadap korosi, pembentukkan oksida dan hidrida tertentu, laju dan selektivitas produk yang
akan terbentuk, konduktivitas listrik, ketahanan dan harga faktor, serta kesesuaian dengan desain sel atau sistem (Artadi, 2007).