Puslitbang tekMIRA Jl. Jend. Sudirman No. 623 Bandung 40211 Telp : 022-6030483 Fax : 022-6003373 E-mail : Info@tekmira.esdm.go.id
Laporan Akhir 2014
Kelompok Pelaksana Litbang Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara
KARAKTERISASI ADSORPSI AMMONIUM PADA UNGGUN DIAM
KARBON AKTIF BERBASIS BATUBARA
Oleh : Ika Monika, Fahmi Sulistyohadi, Suganal Astuti Rahayu
PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA 2014
i KATA PENGANTAR
Penelitian di laboratorium merupakan kegiatan dasar untuk berkembangnya hasil penelitian. Kegiatan Karakterisasi Adsorpsi Ammonium Pada Unggun Diam Karbon Aktif Berbasis Batubara dilakukan untuk menunjang hasil pembuatan karbon aktif dari batubara yang telah mencapai tahap optimal pada kapasitas 1 ton/hari, dan merupakan tahap pengujian terhadap produk yang dihasilkan. Hasil penelitian dapat dijadikan referensi pemanfaatan karbon aktif batubara khususnya untuk aplikasi penurunan kadar ammonium pada berbagai industri.
Bandung, Nopember 2014
Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara
Ir. Dede Ida Suhendra, M.Sc. NIP 19571226 1987031001
ii SARI
Karakterisasi Adsorpsi Ammonium Pada Unggun Diam Karbon Aktif Berbasis Batubara adalah kegiatan penelitian di laboratorium dengan menggunakan karbon aktif batubara dan tempurung kelapa yang merupakan hasil percobaan pembuatan karbon aktif skala Pilot Plant di Palimanan. Karbon aktif yang digunakan masing-masing memiliki kualitas yang berbeda, yaitu kualitas rendah dan tinggi. Kualitas karbon aktif ditentukan melalui nilai bilangan Iodin. Untuk kualitas rendah, nilai bilangan Iodin 150-300 mg/g, sedangkan nilai bilangan Iodin kualitas tinggi berkisar antara 600-800 mg/g. Karbon aktif yang digunakan berukuran -4+8 mesh dan -12+20 mesh. Untuk masing-masing ukuran tersebut ditentukan variabel proses yang terdiri atas waktu kontak dan jumlah karbon aktif yang digunakan. Variasi waktu kontak yaitu 30, 60, 120, 180 menit dan 24 jam. Sedangkan variasi jumlah karbon aktif yang ditambahkan yaitu sebesar 10, 20, 30 dan 40% dari total volume larutan adsorbat. Hasil penelitian menunjukkan, karbon aktif batubara dan tempurung kelapa dengan kualiatas tinggi memiliki efektifitas adsorpsi yang sangat baik, dengan tingkat adsorpsi >90%, tercapai dengan waktu kontak 24 jam dan penggunaan karbon aktif sebesar 30%. Hasil ini menunjukkan bahwa kedua jenis karbon aktif tersebut memiliki kemampuan adsorpsi yang sama, sehingga untuk penggunaan karbon aktif secara masal, masyarakat dapat memilihnya berdasarkan harga dan ketersediaan produk di pasar.
iii DAFTAR ISI Kata Pengantar………. i Sari………. ii Daftar Isi……… iii Daftar Gambar………. iv Daftar Tabel……….. v I. PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang ……….. 1 1.2 Ruang lingkup kegiatan……… 2 1.3 Tujuan ……… 2 1.4 Sasaran………... 1.5 Lokasi ………... 1.6 Penerima manfaat ……….. 3 3 3
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Karbon aktif ……… 2.2 Adsorpsi ……… 2.3 Ammonium ……… 3 4 5
III. PROGRAM KEGIATAN 6
IV. BAHAN DAN METODA 6
iv DAFTAR GAMBAR
Gambar 5. 1 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 10% terhadap adsorpsi ammonium ……… Gambar 5. 2 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 20%
terhadap adsorpsi ammonium ……… Gambar 5. 3 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 30%
terhadap adsorpsi ammonium……… Gambar 5.4 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 40%
terhadap adsorpsi ammonium ……… Gambar 5.5 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh
20% terhadap adsorpsi ammonium ………
9 10 11 12 13
Gambar 5.6 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh 20% terhadap adsorpsi ammonium
………
14 Gambar 5.7 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh
30% terhadap adsorpsi
ammonium………
15 Gambar 5.8 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh
20% terhadap adsorpsi ammonium
………
v DAFTAR TABEL
Tabel 5.1 Hasil analisis proksimat karbon aktif sebelum digunakan………. 7 Tabel 5.2 Hasil analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas karbon aktif
sebelum digunakan……….. 8 Tabel 5.3 Hasil analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas karbon aktif
batubara pada kondisi proses adsorpsi optimal………. 17 Tabel 5.4 Hasil analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas karbon aktif tempurung kelapa pada kondisi proses adsorpsi optimal………. 17
1
I. PENDAHULUAN
1.1. Latar belakang
Penelitian pembuatan karbon aktif batubara telah mencapai tahap persiapan untuk penerapan ke masyarakat, dengan berdirinya pilot plant karbon aktif berbasis batubara di Palimanan, Cirebon. Percobaan di Palimanan telah menghasilkan karbon aktif dengan kualitas yang cukup baik, dengan tercapainya nilai bilangan Iodin 500-750 mg/g. Bilangan Iodin merupakan parameter pengujian daya serap atau kualitas karbon aktif yang paling umum digunakan, dan menurut persyaratan karbon aktif tempurung kelapa yang dikeluarkan oleh Badan Standarisasi Nasional (Anonim, 1995), kualitas karbon aktif batubara hasil percobaan telah memenuhi persyaratan tersebut. Sedangkan hasil survey secara langsung di lapangan (pasar/konsumen), karbon aktif dengan kualitas yang lebih rendah pun dijual secara luas dan digunakan untuk berbagai jenis pemanfaatan. Artinya, dengan bilangan Iodin <500-750 mg/g karbon aktif batubara tersebut dapat dikembangkan untuk komersil.
Untuk menguji kemampuan daya serap karbon aktif batubara hasil percobaan, maka dilakukan penelitian pemanfaatan karbon aktif untuk adsorpsi ammonium. Ion ammonium atau ammonia yang terlarutkan dalam air merupakan senyawa nitrogen yang ditemukan dalam berbagai limbah cair atau air yang mengalir dan berakhir di danau, sungai ataupun sumber-sumber air minum. Konsentrasi tinggi ammonium dalam air dan melebihi ambang batas yang ditetapkan dapat menyebabkan berbagai permasalahan, seperti memberikan rasa dan bau pada air yang digunakan, matinya hewan-hewan aquatik, karat, dan yang lebih membahayakan adalah dampak terhadap kesehatan manusia. Berbagai penelitian untuk menghilangkan ammonia dalam air dengan metoda adsorpsi telah dilakukan. Diantara adsorben yang sering digunakan adalah clay, zeolite, limestone dan carbon-zeolite composite (Halim, dkk. 2009).
Karbon aktif telah dikenal secara luas sebagai metoda alternatif dalam pengolahan air dengan kemampuan adsorpsi yang sangat baik (Ismadji dan Bathia, 2001). Karbon aktif
2
memiliki sifat unik dan serbaguna karena luas permukaan yang luas, struktur berpori, kapasitas adsorpsi dan tingkat reaktifitas yang tinggi (Ghazy, S.E. and S.M. El-Morsy, 2009).
Dalam penelitian ini, jenis karbon aktif yang digunakan adalah karbon aktif yang terbuat dari batubara dan tempurung kelapa, dengan kualitas rendah dan tinggi. Karbon aktif yang digunakan diperoleh dari hasil proses pembuatan karbon aktif yang dilakukan dengan alat rotary kiln di Palimanan (Monika, dkk., 2013). Karbon aktif dengan kualitas rendah dan kualitas tinggi memiliki bilangan Iodin 238 mg/g dan 605 mg/g (untuk karbon aktif batubara), sedangkan untuk karbon aktif tempurung kelapa 154 mg/g dan 790 mg/g. Untuk karbon aktif tempurung kelapa dengan bilangan Iodin 154 mg/g diperoleh dari pasar yang dijual dan digunakan untuk penjernihan air pada ikan hias. Perbedaaan kualitas atau daya serap tersebut bertujuan untuk mengetahui sejauh mana efektifitas adsorpsi kedua jenis karbon aktif tersebut dalam penurunan konsentrasi ammonium. Data hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi dalam aplikasi karbon aktif batubara maupun tempurung kelapa dalam pengolahan limbah cair khususnya adsorpsi ammonium pada berbagai industri ataupun sektor perikanan/budidaya udang.
1.2 Ruang lingkup kegiatan
Ruang lingkup kegiatan meliputi:
a) Persiapan dan karakterisasi karbon aktif dari batubara b) Persiapan peralatan adsorpsi skala laboratorium c) Proses adsorpsi pada unggun karbon aktif
d) Analisis filtrat hasil adsorpsi dengan karbon aktif, dan analisis karakteristik karbon aktif setelah digunakan
1.3 Tujuan
Mengetahui karakteristik adsorpsi karbon aktif batubara terhadap ammonium pada sistem unggun diam
3
1.4 Sasaran
Diperoleh data kemampuan adsorpsi ammonium pada unggun diam oleh karbon aktif berbasis batubara
1.5 Lokasi /tempat pelaksanaan kegiatan
Lokasi kegiatan penelitian adalah di laboratorium penelitian batubara Pusat Penelitaian dan Pengembangan Teknologi Mineral dan Batubara di Bandung, sedangkan pencarian data penunjang maupun kegiatan penunjang dilakukan di Jakarta dan Palimanan.
1.6 Penerima manfaat
Kegiatan ini adalah dalam rangka mendukung program peningkatan konsumsi batubara dalam negeri serta pengembangan hasil litbang melalui Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral. Selain itu perusahaan-perusahaan yang berminat mendirikan usaha berbasis teknologi pemanfaatan batubara dapat memperoleh manfaat dengan tersedianya bahan baku alternatif dan hasil penelitian ini menjadi salah satu peluang pasar karbon aktif batubara. Dampak lebih luas yang diterima oleh masyarakat yaitu berkurangnya/teratasinya dampak pencemaran lingkungan khususnya akibat pencemaran limbah cair yang mengandung ammonium.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Karbon aktif
Karbon aktif umumnya digunakan untuk aplikasi pada fasa cair yang berfungsi untuk menjernihkan, meghilangkan bau, maupun proses pemurnian pada berbagai jenis industri. Kemampuan adsorpsi (kapasitas adsorpsi) karbon aktif ditentukan oleh beberapa faktor diantaranya sifat adsorben dan adsorbat, sifat serapan, waktu kontak, pH dan temperatur. Penentuan kapasitas adsorpsi karbon aktif dapat ditentukan melalui beberapa metode pengujian seperti, Carbon Tetracholride Activity (CTC), adsorpsi fasa gas, aktifitas butan, nilai metilen biru, dan yang paling umum adalah dengan pengujian
4 bilangan Iodin. Bilangan Iodin adalah kemampuan adsorpsi per gram karbon aktif dalam menyerap per milligram zat anorganik (Iod). Semakin tinggi nilai bilangan Iodin, dapat diartikan daya serap karbon aktif semakin baik. Nilai bilangan Iodin karbon aktif dapat mencapai > 1000 mg/g yang termasuk ke dalam kategori kualitas/daya serap tinggi (Ningrum, 2000). Karbon aktif dengan nilai bilangan Iodin >1000 mg/g, umumnya terbuat dari tempurung kelapa. Hal tersebut disebabkan karbon aktif tempurung kelapa memiliki struktur pori-pori mikro. Sedangkan karbon aktif batubara memiliki struktur pori jenis semi dan makro. Menurut IUPAC (Internasional Union of Pure and Applied Chemical) ada beberapa klasifikasi pori yaitu ;
a. Mikropori : diameter < 2 nm b. Mesopori : diameter 2 – 50 nm c. Makropori : diameter > 50 nm
Meskipun karbon aktif batubara dan tempurung kelapa memiliki jenis pori-pori berbeda, namun masing-masing memiliki kelebihan, yaitu pori-pori mikro cocok untuk adsorpsi adsorbat yang berbobot molekul rendah sedangkan pori-pori makro untuk adsorpsi adsorbat yang berbobot molekul tinggi (Anonim, 2014).
2.1 Adsorpsi
Adsorpsi adalah molekul-molekul pada permukaan zat padat atau zat cair, mempunyai gaya tarik ke arah dalam, karena tidak ada gaya-gaya lain yang mengimbangi. Pada adsorpsi gas di permukaan zat padat, terjadi kesetimbangan antara gas yang terjerap dengan gas sisa. Daya jerap zat padat terhadap gas tergantung dari jenis adsorben, jenis gas, luas permukaan adsorben, temperatur gas dan tekanan gas. Makin luas permukaan adsorben, makin banyak gas yang dapat diserap. Luas permukaan sukar ditentukan, hingga biasanya daya jerap dihitung tiap satuan massa adsorben (Wirawan, 2012). Fenomena adsorpsi karbon aktif selalu diasosiasikan dengan sejumlah gugus fungsi heteroatom seperti oksigen, hidrogen, sulfur dan nitrogen (Bansal dan Gosal, 2005). Oksigen merupakan unsur yang paling dominan, membentuk gugus fungsi oksida, seperti karbonil, karboksi, hidroksil, lakton, kuinon, dan lainnya, yang terbentuk akibat adsorpsi kimia antara permukaan karbon dan oksigen yang ada di udara. Gugus oksida permukaan karbon dapat bersifat asam atau basa, dan dapat diketahui dengan
5 mudah dengan cara titrasi. Dengan adanya sifat asam atau basa ini, akan mempengaruhi sifat adsorspsi karbon aktif terhadap adsorbat (Bochm, 2002). Karbon aktif juga sebagian besar terdiri atas unsur karbon bebas dan masing-masing berikatan secara kovalen. Dengan demikian, permukaan karbon aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting untuk diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori karbon aktif, luas permukaan semakin besar, berkisar antara 300-3500 m2/gram dan ini berhubungan dengan struktur pori internal yang menyebabkan karbon aktif mempunyai sifat sebagai adsorben (Meilita dan Tuti, 2003).
2.3 Ammonium
Ammonium atau ammonia yang terlarutkan dalam air adalah senyawa tidak berwarna, berbau tajam, di alam berupa gas yang bersifat korosif, dan salah satu yang secara berlimpah terdapat senyawa nitrogen di udara dalam bentuk nitrogen dan nitrogen oksida Kandungan ammonia dalam udara jika melebihi 50 ppm dapat menyebabkan masalah pernafasan. Sedangkan kandungan ammonia antara 50-100 ppm dapat menyebabkan iritasi mata, tenggorokan dan hidung (Gue, dkk., 2004).
Berbagai teknik, termasuk dekomposisi katalitik, reaksi amonia dengan gas lain, adsorpsi dengan padatan, dan proses pembakaran bertahap telah digunakan untuk menghilangkan ammonia. Namun proses adsorpsi dengan kondisi tertentu merupakan metode yang tergolong mudah, selektif dan efisien [Parkash dan Velan, 2005). Dalam pengolahan air atau air limbah, adsorpsi merupakan metoda penting karena adsorpsi adalah kemampuan suatu padatan untuk solusi dengan cara mengumpulkan zat-zat tertentu ke permukaan padatan (Basava, dkk., 2006). Dalam proses pemisahan gas, proses adsorpsi digunakan untuk mengatasi keberadaan gas-gas atau kontaminan yang berasal dari industri sepeti CO2, atau untuk regenerasi gas pelarut dari suatu campuran (Parkash dan Velan, 2005).
6
III. PROGRAM KEGIATAN
Pelaksanaan kegiatan dititikberatkan pada pengamatan kapasitas adsorpsi karbon aktif batubara dan tempurung kelapa dalam penurunan kadar ammonium. Tahap pertama adalah mempersiapkan bahan dengan melakukan penggerusan, pengayakan, dan analisis karakterisasi karbon aktif sebelum digunakan yang meliputi analisis proksimat, bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas. Proses adsorpsi ditentukan dengan variabel sebagai berikut.
- Ukuran butir karbon aktif ; -4+8 mesh dan -12+20 mesh
- Variasi waktu kontak ; 30 menit, 60 menit, 120 menit, 180 menit dan 24 jam - Variasi penggunaan karbon aktif 10%, 20%, 30% dan 40%.
Karakterisasi karbon aktif setelah digunakan meliputi analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porisitas. Sedangkan evaluasi data secara keseluruhan dengan menghitung efisiensi adsorpsi dan kajian sifat karbon aktif setelah digunakan. Secara keseluruhan, hasil penelitian akan dituangkan dalam bentuk laporan kegiatan dan sebagai bahan karya tulis ilmiah.
IV. BAHAN DAN METODE
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah karbon aktif dari batubara dengan bilangan Iodin 238 mg/g dan 605 mg/g, dan tempurung kelapa dengan bilangan Iodin 790 mg/g. Kedua jenis karbon aktif tersebut berasal dari hasil percobaan pembuatan karbon aktif dengan metoda aktivasi uap yang dilakukan di Palimanan dengan kapasitas 1 ton/hari. Sedangkan karbon aktif tempurung kelapa dengan bilangan Iodin 154 mg/g, diperoleh dari penjual karbon aktif yang peruntukannya untuk penjernihan/pemurnian air pada ikan hias.
Proses adsorpsi dilakukan dengan sistem unggun tetap, menggunakan kolom yang berisi larutan adsorbat ammonium, dan di dalamnya diletakkan karbon aktif dengan variasi 10, 20 30 dan 40, yang masing-masing ditentukan variasi kontak antara 30, 60, 120, 180 menit dan 24 jam. Selama waktu kontak berlangsung dilakukan pengadukan
7 selama 30 detik dengan selang waktu 10 menit. Untuk ukuran karbon aktif yang digunakan yaitu -4+8 mesh dan -12+20 mesh. Setelah waktu kontak selesai dilakukan penyaringan untuk memperoleh filtrat yang selanjutnya dianalisis dengan menggunakan alat spektrofotometer. Perhitungan banyaknya kontaminan yang terserap dinyatakan sebagai kapasitas penghilangan ammonium (q) tiap unit berat dengan menggunakan persamaan sebagai berikut ;
Efisiensi adsorpsi NH4+ (%) = (C0 – Ce C ) x 100 Keterangan 0 C0 C
= Konsentrasi awal ammonium (mg/L) e = Konsentrasi akhir ammonium (mg/L)
V. HASIL DAN PEMBAHASAN
Penentuan ukuran butir karbon aktif -4+8 mesh berdasarkan pada ukuran butir karbon aktif yang umumnya digunakan untuk pemurnian air pada budidaya udang yang diidentifikasi bahwa kandungan ammonium yang cukup tinggi dapat menyebabkan kematian pada benih udang. Sedangkan ukuran -12+20 mesh, sebagai pembanding untuk melihat perbedaan daya adsorpsi apabila menggunakan ukuran yang lebih kecil atau halus. Sebelum dilakukan penelitian terlebih dahulu sampel karbon aktif dianalisis, dan diperoleh data seperti ditunjukkan pada Tabel 5.1 dan 5.2.
Tabel 5.1 Hasil analisis proksimat karbon aktif sebelum digunakan Kode
contoh Kadar air (%) Kadar abu (%)
Kadar zat terbang (%) Kadar karbon padat (%) KB 238 10,93 11,83 18,09 59,15 KT 154 13,48 2,33 19,76 64,43 KB 605 14,65 14,98 20,07 50,30 KT 790 17,33 4,75 23,35 54,53
8 Tabel 5.2 Hasil analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas karbon aktif Sebelum digunakan Kode contoh Bilangan Iodin (mg/g) Luas permukaan m2/g Total volume pori cc/g
Radius pori rata-rata (À) KB 238 238 304 0,134 13,95 KT 154 154 58 0,038 13,26 KB 605 605 643 0,357 11,10 KT 790 790 986 0,526 10,68 Keterangan ;
KB 238 = karbon aktif batubara dengan bilangan Iodin 238 mg/g
KT 154 = karbon aktif tempurung kelapa dengan bilangan Iodin 154 mg/g KB 605 = karbon aktif batubara dengan bilangan Iodin 605 mg/g
KT 790 = karbon aktif tempurung kelapa dengan bilangan Iodin 790 mg/g
Pada Tabel 5.1, kadar abu karbon aktif batubara mencapai 11,83% dan 14,98%. Hal tersebut disebabkan kadar abu batubara sebesar 3,82%, sehingga pada saat karbonisasi dan aktivasi akan meningkat minimal dua kali lebih besar daripada sebelum proses. Sedangkan tempurung kelapa memiliki kadar abu < 2,00%. Kadar abu tinggi pada karbon aktif akan mempengaruhi saat pemanfaatan. Selain kotor, juga akan menyumbat sistem peralatan yang menggunakan media filtrasi. Oleh karena itu, perlu dilakukan pencucian terlebih dahulu sebelum digunakan. Tabel 5.2 mencantumkan karakteristik karbon aktif dilihat dari daya serap terhadap zat anorganik, luas permukaan, dan porositas. Radius pori rata-rata < 20 Å atau menurut IUPAC <2 nm, yang termasuk ke dalam kategori pori-pori jenis mikro (mikro pori). Data pada Tabel 5.2 menunjukkan semakin tinggi bilangan Iodin, luas permukaan dan total volume pori semakin besar, dan radius rata-rata pori semakin kecil.
Karbon aktif yang mempunyai karakteristik seperti pada Tabel 5.1 dan 5.2 selanjutnya digunakan untuk mengadsorpsi ammonium pada sistem unggun tetap, dengan
9 memvariasikan ukuran butir karbon aktif, jumlah (persentase) karbon aktif yang digunakan dan waktu kontak. Hasil pengamatan efektifitas adsorpsi karbon aktif terhadap ammonium tercantum pada Gambar 5.1, 5.2, 5.3 dan 5.4.
5.1 Efisiensi adsorpsi ammonium dengan karbon aktif berukuran -4+8 mesh
Hasil pengamatan pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif berukuran -4+8 mesh 10% terhadap adsorpsi ammonium tercantum pada Gambar 5.1.
Gambar 5.1 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 10% terhadap adsorpsi ammonium
Dari Gambar 5.1 terlihat bahwa efisiensi adsorpsi ammonium oleh karbon aktif tempurung kelapa dengan bilangan Iodin 154 mg/g (KT 154), pada menit ke 120, 180 dan 24 jam, lebih baik dibandingkan dengan karbon aktif batubara dengan bilangan Iodin 238 mg/g (KB 238). Hal tersebut ditunjukkan oleh semakin meningkatnya persentase adsorpsi. Berbeda dengan KB 238 yang mengalami penurunan adsorpsi ammonium setelah 180 menit tapi kemudian naik saat waktu kontak 24 jam. Demikian pula dengan karbon aktif yang memiliki kualitas atau daya serap tinggi, seperti terlihat pada Gambar 5.1 karbon aktif tempurung kelapa (KT 790) memiliki efektifitas adsorpsi yang lebih baik, dibandingkan karbon aktif batubara (KB 605) dengan tingkat kejenuhan
10 cenderung turun secara perlahan. Pola adsorpsi oleh KB 605 dan KT 790, terlihat hampir sama.
Gambar 5. 2 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 20% terhadap adsorpsi ammonium
Hasil pengamatan adsorpsi ammonium dengan menggunakan karbon aktif batubara (KB 238) 20% seperti yang terlihat dalam Gambar 5.2 menunjukkan bahwa kecenderungan efisiensi adsorpsi yang hampir sama dengan karbon aktif tempurung kelapa (KT 154). Semakin lama waktu kontak, efisiensi adsorpsi ammonium semakin tinggi. Berbeda dengan KB 605 yang memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih baik dibandingkan KT 790. Adsorpsi ammonium oleh KB 605 dengan waktu reaksi mulai 180 menit sampai 24 jam menunjukkan kenaikan efisiensi adsorpsi yang cukup tinggi, sedangkan KT 790 efisiensi adsorpsinya relatif stabil.
11
Gambar 5. 3 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 30% terhadap adsorpsi ammonium
Pengamatan adsorpsi ammonium oleh karbon aktif batubara (KB 238) 30% seperti yang terlihat pada Gambar 5.3 menunjukkan efisiensi adsorpsi yang relatif tinggi. Sedangkan KT 154 rendah. KB 238 maupun KT 790 memiliki kecenderungan adsorpsi yang hampir sama. Bahkan jika dibandingkan dengan KT 790, pada menit ke 120 dan 180, efisiensi adsorpsi KB 238 hampir sama. Hal ini menunjukkan KB 238 dengan kualitas yang rendah dan penggunaannya sebesar 30%, menghasilkan kemampuan adsorpsi yang relatif sama dengan KT 790 yang memiliki kualitas tinggi. Secara keseluruhan penggunaan karbon aktif 30% dengan ukuran -4+8 mesh cukup bagus. Hal ini ditunjukkan dengan kenaikan efisiensi adsorpsi yang berbanding lurus dengan waktu kontak hingga 24 jam (tidak mengalami kejenuhan). Efisiensi adsorpsi pada 24 jam mencapai >90%, atau hampir seluruh ammonium dapat terserap 100%.
12
Gambar 5.4 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -4+8 mesh 40% terhadap adsorpsi ammonium
Penggunaan karbon aktif sebesar 40% seperti yang terlihat pada Gambar 5.4 menunjukkan efiensi adsorpsi ammonium relatif rendah (< 70%) dibandingkan dengan penggunaan karbon aktif 20% dan 30%, dan memiliki kemampuan adsorpsi yang hampir sama dengan penggunaan karbon aktif 10%. KT 154 dan KB 605 memiliki efesiensi adsorpsi yang hampir sama. Dibandingkan dengan KT 790, KB 605 jauh lebih baik adsorpsinya. Secara teoritis, semakin tinggi daya serap, kemampuan adsorpsinya semakin baik. Akan tetapi dari hasil pengamatan yang tercantum pada Gambar 5.4, karbon aktif tempurung kelapa (KT 154) yang memiliki daya serap lebih rendah, efisiensi adsorpsinya lebih baik dibandingkan KT 790 yang memiliki daya serap lebih tinggi.
Dari keempat gambar tersebut di atas, menunjukkan bahwa efisiensi adsorpsi ammonium optimal tercapai dengan penggunaan karbon aktif 30%, yang ditunjukkan dengan tidak mengalami titik jenuh selama proses adsorpsi. Hal ini terlihat setelah masa penggunaan selama 24 jam, karbon aktif batubara maupun tempurung kelapa masih layak digunakan. Data pada Gambar 5.1, 5.2, 5.3 dan 5.4 juga menunjukkan, karbon aktif batubara lebih baik adsorpsinya dibandingkan karbon aktif tempurung
13 kelapa. Karbon aktif batubara yang berkualitas rendah (bilangan Iod < 300 mg/g), dapat digunakan untuk adsorpsi ammonium dengan tingkat adsorpsi yang hampir sama dengan karbon aktif tempurung kelapa yang berkualitas lebih baik (bilangan Iod > 700 mg/g). Dengan demikian, bagi masyarakat pengguna karbon aktif tersedia adsorben alternatif selain karbon aktif tempurung kelapa.
5.2 Efisiensi adsorpsi ammonium dengan karbon aktif berukuran -12+20 mesh
Hasil pengamatan adsorpsi ammonium dengan karbon aktif berukuran -12+20 mesh 10% terlihat pada Gambar 5.5.
Gambar 5.5 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh 10% terhadap adsorpsi ammonium
Dari Gambar 5.5 terlihat bahwa efisiensi adsorpsi ammonium oleh KB 238 cenderung lebih baik daripada oleh KT 154. Demikian pula penggunaan karbon aktif KB 605, efisiensi adsorpsinya lebih baik daripada oleh KT 790. Meskipun demikian, pola adsorpsi KB 605 dan KT 790 berbeda dengan KB 238 dan KT 154. KB 605 dan KT 790 memiliki pola kenaikan efisiensi adsorpsi yang hampir sama, yaitu cenderung naik secara drastis dari menit 30 ke menit 60. Kemudian dari menit 60 sampai ke 24 jam, naik secara perlahan. Sedangkan pengamatan dengan KB 238 dan KT 154 berbeda pola adsorpsinya. KB 238 memiliki efisiensi adsorpsi yang cenderung naik secara
14 perlahan. Sedangkan KT 154 memiliki pola adsorpsi yang fluktuatif. Dari pengamatan pada Gambar 5.5, menunjukkan bahwa penggunaan keempat jenis karbon aktif tersebut di atas tidak mengalami titik jenuh meskipun waktu kontak mencapai 24 jam.
Gambar 5.6 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh 20% terhadap adsorpsi ammonium
Dari hasil pengamatan pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon aktif -12+20 mesh 20% terhadap adsorpsi ammonium yang tercantum pada Gambar 5.6, menunjukkan bahwa karbon aktif -12+20 mesh 20% lebih baik tingkat adsorpsinya dibandingkan oleh karbon aktif 10%. Hal ini terlihat dengan efisiensi adsorpsi yang mencapai >85% oleh KB 605, juga keempat jenis karbon aktif tersebut memiliki kecenderungan peningkatan adsorpsi ammonium seiring dengan bertambahnya waktu kontak. Kecuali untuk KT 790 terjadi titik jenuh pada 24 jam. Data pada Gambar 5.6 juga menunjukkan bahwa karbon aktif batubara lebih baik adsorpsinya dibandingkan dengan karbon aktif tempurung kelapa.
15 Gambar 5.7 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon
aktif -12+20 mesh 30% terhadap adsorpsi ammonium
Hasil pengamatan pada Gambar 5.7 menunjukkan tingkat adsorpsi oleh keempat jenis karbon aktif sebesar 30% relatif rendah, dengan tercapainya persentase adsorpsi < 75%. Meskipun demikian, pengamatan tingkat adsorpsi oleh KB 238 dan KB 605 mulai menit ke 30 sampai ke 24 jam menunjukkan pola adsorpsi yang cenderung naik secara perlahan. Sehingga kecenderungan mengalami titik jenuh lebih lama. Demikian pula halnya dengan KT 790, meskipun pada menit ke 120 mengalami penurunan adsorpsi namun mulai menit ke 180 sampai ke 24 jam naik secara perlahan. Pengamatan adsorpsi oleh KT 154 menunjukkan pola yang berbeda. Selain tingkat adsorpsi paling rendah, juga penggunaan KT 154 30% mengalami titik jenuh mulai menit ke 180.
16 Gambar 5.8 Pengaruh jenis dan bilangan Iodin karbon
aktif -12+20 mesh 40% terhadap adsorpsi ammonium
Data pada Gambar 5.8 menunjukkan bahwa, efisiensi adsorpsi untuk keempat jenis karbon aktif sangat rendah dibandingkan dengan kondisi proses lainnya. Dapat disimpulkan bahwa penggunaan karbon aktif -12+20 mesh dengan persentase penambahan 40% tidak sesuai. Rendahnya nilai yang tercapai disebabkan selain ukuran butir terlalu halus juga karbon aktif yang digunakan terlalu banyak, sehingga kontak antara adsorban dan adsorbat tidak maksimal. Dengan jumlah karbon aktif banyak dibutuhkan pengadukan yang lebih intensif, yang memberi kesempatan partikel karbon aktif bersinggungan dengan adsorbat.
5.3 Karaktersitik karbon aktif setelah digunakan
Analisis karbon aktif yang telah digunakan, dilakukan terhadap sifat yang dilihat dari nilai bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas. Sampel karbon aktif diambil dari hasil proses kondisi optimal yaitu kondisi yang mencapai nilai efisiensi adsorpsi tertinggi. Berdasarkan hasil pengamatan seluruh data proses adsorpsi, kondisi optimal tercapai pada penambahan/penggunaan karbon akti berukuran -4+8 mesh sebesar 30%, dengan efisiensi mencapai >90%. Hasil analisis karbon aktif setelah digunakan dengan kondisi tersebut di atas, diperoleh data seperti pada Tabel 5.3 dan 5.4.
17 Tabel 5.3 Hasil analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas karbon aktif batubara pada kondisi proses adsorpsi optimal
Karbon aktif batubara (KB 605) Waktu kontak menit Bilangan Iodin mg/g Luas permukaan m2 Total volume pori cc/g /g Radius pori rata-rata (À) 30 584 660 0,369 11,82 60 628 745 0,470 11,01 120 613 768 0,487 10,99 180 607 716 0,452 11,34 1440 (24 jam) 597 698 0,388 11,93
Tabel 5.4 Hasil analisis bilangan Iodin, luas permukaan dan porositas karbon aktif tempurung kelapa pada kondisi proses adsorpsi optimal
Karbon aktif tempurung kelapa (KT 790) Waktu kontak menit Bilangan Iodin mg/g Luas permukaan m2 Total volume pori cc/g /g Radius pori rata-rata (À) 30 807 856 0,513 10,92 60 802 832 0,500 10,76 120 802 822 0,501 11,11 180 804 827 0,508 10,68 1440 (24 jam) 768 801 0,493 11,32
Data pada Tabel 5.3 dan 5.4 menunjukkan bahwa setelah waktu kontak 24 jam, bilangan Iodin karbon aktif dan luas permukaan semakin besar. Hal ini menunjukkan bahwa karbon aktif tersebut setelah 24 jam pemakaian belum mengalami jenuh. Artinya setelah 24 jam, karbon aktif tersebut masih dapat digunakan dan kemungkinan mengalami titik jenuh membutuhkan waktu yang cukup lama. Data pada Tabel 5.3 dan 5.4 juga menunjukkan bahwa karbon aktif batubara maupun tempurung kelapa memiliki jenis pori-pori mikro (< 20À), hanya persentase dari volume total berbeda.
18 Umumnya karbon aktif batubara memiliki persentase pori-pori makro lebih besar daripada karbon aktif tempurung kelapa yang didominasi oleh pori-pori mikro. Oleh karena itu karbon aktif tempurung kelapa akan memiliki bilangan Iodin dan luas permukaan yang lebih besar, karena pada dasarnya pori-pori mikro memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih baik dalam menyerap zat-zat yang berbobot molekul kecil. Proses masuknya adsorbat ke dalam pori-pori, diawali dengan peristiwa bersinggungannya adsorbat dengan permukaan adsorben. Selanjutnya melalui pori-pori makro, adsorbat berinteraksi, terjerap menuju pori-pori meso yang berfungsi sebagai fasilitator untuk menuju pori-pori mikro. Oleh karena itu, dapat dilihat bahwa umumnya pada saat kontak antara permukaan karbon aktif dengan adsorbat, seluruh jenis adsorbat akan terserap oleh pori-pori makro. Sehingga efisensi adsorpsi karbon aktif batubara lebih baik daripada karbon aktif tempurung kelapa. Namun pada proses adsorspi selanjutnya, pemilihan adsorbat lebih selektif. Melalui pori-pori meso, hanya adsorbat tertentu yang berbobot molekul kecil yang dapat terjerap ke dalam pori-pori mikro. Oleh karena itu, meskipun pada awal proses adsorpsi karbon aktif batubara lebih baik dari karbon aktif tempurung kelapa, namun karbon aktif tempurung kelapa memiliki kecenderungan untuk tidak mengalami titik jenuh sehingga penggunaannya dapat lebih lama dibandingkan karbon aktif batubara.
6. KESIMPULAN
- Secara keseluruhan hasil penelitian dengan menggunakan karbon aktif yang berukuran -4+8 mesh dan -12+20 mesh menunjukkan bahwa karbon aktif batubara maupun tempurung kelapa dengan kualitas atau daya serap yang hampir sama, memiliki kecenderungan pola adsorpsi yang sama. Bahkan pada beberapa kondisi proses, menunjukkan karbon aktif batubara memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih baik daripada karbon aktif tempurung kelapa. - Hasil optimal tercapai pada penggunaan karbon aktif yang berukuran -4+8 mesh
30%, dengan penurunan kadar ammonium > 90%.
- Penggunaan karbon aktif yang berukuran halus yaitu -12+20 mesh kurang efektif dibandingkan dengan karbon aktif serbuk yang berukuran -4+8 mesh.
19 - Penggunaan jumlah karbon aktif yang terlalu banyak, tidak efektif untuk
menurunkan kadar ammonium.
- Karbon aktif batubara dapat menjadi bahan adsorben alternatif untuk adsorspi ammonium pada sektor perikanan/industri
- Hasil penelitian ini dapat menjadi bahan acuan bagi industri atau masyarakat luas dalam hal pemanfaatan karbon aktif untuk adsorpsi ammonium, dengan mempertimbangkan faktor ketersediaan produk, harga dan masa penggunaan karbon aktif (waktu jenuh).
7. DAFTAR PUSTAKA
1. Anonim, 1995. Arang Aktif Teknis, SNI 06-3730-1995, ICS 75.160.10 Badan Standarisasi Nasional, Jakarta
2. Anonim, 2014. Activated Carbon, TIGG Corporation, Pennsylvania Corporate Headquarters1 Willow Avenue Oakdale , PA 15071
3. Bansal, R.C. and Gosal, M., 2005. Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis, New York
4. Basava, V., Ram, S. and Mohan, 2006. Adsorption Studies on Treatment of Textile Dyeing Industrial Effluent by Fly Ash. Chemical Engineering, 116, 77-84.
5. Bochm, H.P., 2002. Surface Oxides on Carbon and their Critical Assessment,
Carbon, 40, 145-149
6. Ghazy, S.E. and S.M. El-Morsy, 2009. Sorption of Lead from Aqueous Solution by Modified Activated Carbon Prepared from Olive Stones, AJB 8(17): 4140-4147. 7. Gue, J., Shengxu, W., Chen, Y. and Chang, A., 2004. Adsorption of NH3 on to
20 Activated Carbon Prepared from Palm Shells Impregnated with H2SO4
Interface Science, 1(24), 1-6
, Colloid and
8. Halim, A.A., H.A. Aziz, M.A. Megat Johar K.S. Ariffin and Y.T. Hung, 2009. Removal
of Ammoniacal Nitrogen and COD from Semi-aerobic Landfill Leachate using Low-Cost Activated Carbon-Zeolite Composite Adsorbent. International Journal
of Environment and Waste Management, 4(3): 399-411
9. Ismadji, S. and Bhatia, S.K., 2001. Characterization of Activated Carbon Using Liquid Phase Adsorption, Carbon, 39(8): 1237-1256
10. Meilita T. S dan Tuti S. S. 2003. Arang aktif Pengenalan dan Proses
Pembuatannya, www.library.usu.ac.id.19 Mei 2006
11. Monika, I., Sulistyohadi, F., Rahayu, S. dan Atmini., S. 2013. Pengembangan
Karbon Aktif Dari Batubara Peringkat Rendah, Laporan Akhir, Pusat Penelitian
dan Pengembangan Teknologi Mineral dan Batubara, Bandung
12. Ningrum, NS. dan Rijwan, I., 2000. Pembuatan Karbon Aktif Dari Batubara
Peringkat Rendah, Laporan Akhir, Pusat Penelitian dan Pengembangan
Teknologi Mineral dan Batubara, Bandung
13. Parkash, B. and Velan, M., 2005. Adsorption of Bismark Brown Dye on the Activated Carbons Prepared from Rubber Wood Sawdust Using Different Activation Methods, Hazardous Materials, 126, 63-70
14. Wirawan, T., 2012. Adsorpsi Fenol oleh Arang Aktif dari Biji Jarak Pagar,
Prosiding Volume 11, ISSN 1412-498X, FMIPA Universitas Mulawarman,
