TINJAUAN PUSTAKA
2.4 PROSES PEMBUATAN KARBON AKTIF
Secara umum, proses pembuatan karbon aktif terdiri dari proses karbonasi serta proses aktivasi. Selama proses karbonasi, komponen yang mudah menguap akan terlepas dan karbon mulai membentuk struktur pori-pori dimana proses pembentukan pori-pori ini akan ditingkatkan pada proses aktivasi. Pada proses aktivasi, terjadi pembentukan pori-pori yang masih tertutup dan peningkatan ukuran pori-pori yang masih tertutup (Maulana, 2011). Proses pembuatan karbon aktif terdiri dari tiga tahap yaitu:
2.4.1 Proses Dehidrasi
Dehidrasi ialah proses penghilangan kandungan air di dalam bahan baku dengan cara pemanasan di dalam oven dengan temperatur 170 C. Pada suhu sekitar 275 C terjadi dekomposisi karbon dan terbentuk hasil seperti tar, metanol, fenol dan lain-lain. Hampir 80% unsur karbon diperoleh pada suhu 400-600 C (Jamilatun et al., 2015).
2.4.2 Proses Pirolisis
Pirolisis adalah proses pemanasan suatu zat tanpa adanya oksigen sehingga terjadi penguraian komponen-komponen penyusun kayu keras. Istilah lain dari pirolisis adalah penguraian yang tidak teratur dari bahan-bahan organik yang disebabkan oleh adanya pemanasan tanpa berhubungan dengan udara luar. Produk proses pirolisis ini berbentuk cair, gas dan padat. Produk padat dari proses ini berupa arang (char) yang kemudian disebut karbonisasi. Karbonisasi biomassa atau yang lebih dikenal dengan pengarangan adalah suatu proses untuk menaikkan nilai kalor
biomassa dan dihasilkan pembakaran yang bersih dengan sedikit asap (Jamilatun et al., 2015).
Produk dari hasil proses memiliki daya adorpsi yang kecil. Hal ini disebabkan pada suhunya rendah, sebagian dari tar yang dihasilkan berada dalam pori dan permukaan sehingga mengakibatkan adsorpsi terhalang. Produk dapat diaktifkan dengan cara mengeluarkan produk tar melalui pemanasan dalam suatu aliran gas inert, atau melalui ekstraksi dengan menggunakan pelarut yang sesuai misalnya selenium oksida, atau melalui sebuah reaksi kimia. Karbon aktif dengan daya adsorpsi yang besar, dapat dihasilkan oleh proses aktivasi bahan baku yang telah dikarbonisasi dengan suhu tinggi (Padil et al., 2010).
Tingginya kadar air yang terdapat pada arang aktif sebelum dilakukan prosesaktivasi disebabkan oleh sifat higroskopis arang aktif dan juga adanya molekul uap air yang terperangkap di dalam kisi-kisi heksagonal arang aktif sedangkan rendahnya kadar air yang terdapat pada arang aktif menunjukkan bahwa kandungan air bebas dan air terikat yang terdapat dalam arang aktif telah menguap, hampir 80%
unsur karbon diperoleh pada suhu 400-600 C (Halimah, 2016).
Dalam pirolisis terdapat dua tingkatan proses, yaitu pirolisis primer dan pirolisis sekunder
a. Pirolisis primer adalah pirolisis yang terjadi pada bahan baku dan berlangsung pada suhu kurang dari 600 C, hasil penguraian yang utama adalah karbon (arang). Pirolisis primer dibedakan atas pirolisis primer lambat dan cepat. Pirolisis primer lambat terjadi pada proses pembuatan arang. Pada laju pemanasan lambat (suhu 150 C –300 C) reaksi utama yang terjadi adalah dehidrasi (kehilangan kandungan air), dan hasil reaksi keseluruhan adalah karbon padatan (C=arang), air (H2O), karbon monoksida (CO) dan karbonmonoksida (CO2). Pirolisis primer cepat terjadi pada suhu lebih dari 300 C dan menghasilkan gas, karbon padatan (arang) dan uap (Kamaruddin et al., 1999).
b. Pirolisis sekunder yaitu pirolisis yang terjadi atas partikel dan gas/uap hasil pirolisis primer dan berlangsung diatas suhu 600 C. Hasil pirolisis pada suhu ini adalah karbonmonoksida (CO), hidrogen (H2), dan hidrokarbon.
Sedangkan tar (secondary pyrolysis tar = SPT) sekitar 1-6% (Taer et al., 2011).
2.4.3 Proses Aktivasi
Aktivasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan memecahkan ikatan hidrokarbon sehingga arang mengalami perubahan, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap adsorpsi (Muna, 2011). Pada proses produksi karbon aktif, proses aktivasi merupakan proses terpenting karena proses ini sangat menentukan terhadap kualitas karbon aktif yang dihasilkan baik luas permukaan maupun daya adsorpsinya. Pada prakteknya, karbon aktif diproduksi baik dengan aktivasi kimiawi maupun fisis (Maulana, 2011).
Proses aktivasi dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu:
a) Aktivasi fisika
Aktivasi fisika merupakan proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik dengan bantuan panas, uap dan CO2. Metode aktivasi secara fisika antara lain dengan menggunakan uap air, gas karbon dioksida, oksigen, dan nitrogen. Gas-gas tersebut berfungsi untuk mengembangkan struktur rongga yang ada pada arang sehingga memperluas permukaannya, menghilangkan konstituen yang mudah menguap dan membuang produksi tar atau hidrokarbon-hidrokarbon pengotor pada arang(Faradina et al., 2010).
b) Aktivasi Kimia
Proses aktivasi kimia merujuk pada pelibatan bahan-bahan kimia atau reagen pengaktif, bahan kimia yang dapat digunakan sebagai pengaktif diantaranya CaCl2, Ca(OH)2, NaCl, MgCl2, HNO3, HCl, Ca3(PO4)2, H3PO4, ZnCl2, dan sebagainya. Unsur-unsur mineral aktivator masuk diantara plat heksagon dari kristalit dan memisahkan permukaan yang mula-mula tertutup.
Dengan demikian, saat pemanasan dilakukan, senyawa kontaminan yang berada dalam pori menjadi lebih mudah terlepas. Hal ini menyebabkan luas permukaan yang aktif bertambah besar dan meningkatkan daya jerap karbon aktif (Ramdja et al., 2008).
2.5 ADSORPSI
Adsorpsi adalah suatu proses pemisahan dimana suatu fluida (adsorbat) berpindah ke permukaan zat padat yang menyerap (biosorben) yang terjadi karena adanya gaya tarik atom atau molekul pada permukaan padatan yang tidak seimbang.
Hal ini menciptakan daerah padat pada molekul cairan yang membentang beberapa diameter molekuler di dekat permukaan (fase terjerap) (Siswarni et al., 2017). Proses adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya pH sistem, rasio massa adsorben dengan adsorbat, suhu adsorpsi, waktu adsorpsi, konsentrasi adsorbat. Pada peristiwa adsorpsi terjadi pengeluaran kalor (eksoterm) (Widjajanti et al., 2011).
Pada proses adsorpsi padat cair, mula-mula terjadi perpindahan solut secara konveksi dari fasa curah cairan menuju ke adsorben. Kemudian pada bagian interface (antar muka antara fasa cairan dengan fasa padatan) terjadi kesetimbangan konsentrasi. Dari interface dilanjutkan dengan proses perpindahan solut secara difusi ke dalam partikel-partikel padatan (adsorben) yang berlangsung lambat. Secara umum, tahap pengendali laju dari suatu proses ditentukan oleh tahap yang paling lambat. Dalam adsorpsi, tahap yang paling lambat adalah proses difusi oleh karena itu secara keseluruhan laju adsorpsi dikendalikan oleh laju difusi dari molekul-molekul solut dalam pori-pori kapiler dari partikel adsorben (Putranto et al., 2014).Ilustrasi proses adsorpsi pada adsorben karbon aktif dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4Proses Adsorpsi pada Karbon Aktif: Transfer Molekul Adsorbat ke Adsorben (Sitorus,2014)
Proses adsorpsi hanya terjadi pada permukaan, tidak masuk dalam fasa bulk/ruah. Proses adsorpsi terutama terjadi pada mikropori (pori-pori kecil),
sedangkan tempat transfer adsorbat dari permukaan luar ke permukaan mikropori ialah makropori (Sitorus, 2014).
Menurut kekuatan interaksinya, ada 2 tipe adsorpsi yaitu adsorpsi fisik (Fisisorpsi) dan adsorpsi kimia (Kemisorpsi)
a. Adsorpsi fisik (Fisisorpsi)
Adsorpsi fisik melibatkan gaya molekul yang relatif lemah yang terjadi secara fisik tanpa disertai perubahan kimia. Adsorpsi fisik bergantung pada sifat-sifat fisika adsorbat. Banyaknya zat yang teradsorpsi dalam adsorpsi fisik akan makin kecil dengan naiknya suhu (Wijayanti, 2016).
b. Adsorpsi Kimia (Kemisorpsi)
Adsorpsi Kimia (Kemisorpsi) terjadi apabila terdapat interaksi kimia antara molekul zat yang teradsorpsi dengan molekul adsorben. Adsorpsi ini melibatkan pertukaran elektron antara molekul yang diadsorpsi dengan permukaan adsorben.Oleh karena itu, sifatnya lebih spesifik daripada adsorpsi fisik. Pada adsorpsi ini ikatannya sangat ketat sehingga zat aslinya tak dapat ditemukan. Laju adsorpsi dapat cepat atau lambat tergantung pada energi aktivasi. Adsorpsi fisik suatu zat dapat terjadi padasuhu rendah dan zat dapat ter-chemisorpsi bila suhudinaikkan (Shafirinia et al., 2016).
Dalam kebanyakan hal, komponen yang diadsorbsi atau adsorbat melekatsedemikian kuat sehingga memungkinkan pemisahan komponen secara menyeluruh dan fluida tanpa terlalu banyak adsorbsi terhadap komponen yang lain (Sudibandriyo et al., 2011).