BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 CANGKANG BUAH KARET (Hevea brasilliensis) SEBAGAI ADSORBEN
Adsorpsi merupakan proses yang menunjukkan kemampuan adsorbat untuk menempel pada bahan penjerap. Penerapan proses adsorpsi yaitu pada pemisahan polutan terlarut atau untuk mengambil kembali bahan yang bernilai memiliki nilai lebih namun berjumlah sedikit pada suatu campuran [5]. Proses adsorpsi terjadi pada permukaan suatu zat padat yang berkontak dengan suatu larutan dimana terjadi akumulasi molekul-molekul larutan pada permukaan zat padat tersebut [16].
Secara umum proses penggumpalan substansi terlarut yang ada dalam larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan kimia-fisika antara substansi terlarut (adsorbat) dengan penyerapnya (adsorben) disebut dengan proses adsorpsi. Proses interaksi dapat saja terjadi antara cairan dan gas, padatan atau cairan lain. Ikatan Van der waals menyebabkan terjadinya adsorpsi fisika dan zat terlarut akan dapat diadsorpsi jika ikatan tarik antar molekul adsorbat dengan adsorben lebih besar dari ikatan antara molekul zat terlarut dengan pelarutnya [17]. Sedangkan adsorpsi kimia merupakan hasil dari reaksi kimia pertukaran elektron antara adsorben dengan molekul adsorbat [18].
Penggunaan bahan-bahan alami bahan lignoselulosa menunjukkan kemampuan biomassa untuk mengikat logam berat dari dalam larutan melalui langkah-langkah metabolisme atau kimia-fisika [4], dan termasuk penghilangan racun dari bahan-bahan yang berbahaya [5]. Proses pengolahan ini dapat dilakukan di tempat, sehingga tidak diperlukan proses pemindahan bahan yang akan diolah. Keuntungan lain dalam pemakaian bahan alam ini adalah bahan baku yang melimpah, murah, proses pengolahan yang efisien [4].
Sumatera merupakan salah satu wilayah sentra karet di Indonesia, termasuk Provinsi Sumatera Utara. Cangkang buah karet belum sepenuhnya dimanfaatkan oleh masyarakat atau pemerintah [20], padahal tanaman karet menghasilkan cangkang buah yaitu sebesar 500 kg/Ha/tahun [7].
Perkebunan karet Indonesia merupakan yang terluas di dunia. Pada tahun 2012 luasnya mencapai 3,4 juta Ha, atau 15 % dari luas total perkebunan di Indonesia seluas 22,76 juta ha. Indonesia dengan produksi sebesar 3,04 juta ton merupakan negara produsen karet alam terbesar ke-2 di dunia. Dengan produksi tersebut, ekspornya mencapai sebesar 2,4 juta Ton [21]. Karet merupakan komoditas ekspor yang mampu memberikan kontribusi dalam upaya peningkatan devisa Indonesia [22].
Cangkang buah karet adalah jenis limbah pertanian yang menyebabkan masalah seperti pencemaran lingkungan di perkebunan karet [23]. Limbah hasil pertanian sebagai produk dan hasil samping dari pertanian dan pengolahan produk pertanian merupakan bahan baku besar sumber daya yang kurang dimanfaatkan yang dapat digunakan langsung atau diubah oleh proses kimia yang cukup sederhana untuk meningkatkan nilai dari segi ekonominya. Cangkang buah karet adalah produk sampingan pertanian pohon karet. Selama ini pemanfaatan dari pohon karet sebagian besar berfokus pada lateks karet dengan sedikit perhatian terhadap potensi produk sampingnya. Sementara kemajuan yang signifikan telah dibuat dalam pengembangan dan pemanfaatan memodifikasi produk pertanian di dalam air dan pengolahan air limbah [6].
Adapun komposisi kimia dari cangkang buah karet diberikan pada Tabel 2.1 Tabel 2.1 Komposisi cangkang buah karet [7]
Konstituen Presentase
(%)
Hemiselulosa 18
Selulosa 61,04
Lignin 21,60
Tabel 2.1 menunjukkan bahwa cangkang buah karet memiliki kandungan lignin sebesar 21,60 dan Selulosa 61,04 %. Lignin dan selulosa adalah senyawa organik yang termasuk dalam golongan senyawa polimer. Polisakarida yang memiliki gugus –OH sehingga dapat digunakan sebagai adsorben. Molekul-molekul selulosa seluruhnya membentuk linear dan mempunyai kecenderungan kuat membentuk ikatan-ikatan hidrogen intramolekul dan intermolekul. Ikatan hidrogen intramolekul terbentuk antara gugus-gugus –OH dari unit-unit glukosa yang berdekatan dalam molekul selulosa yang sama. Karena interaksinya dengan komponen adsorbat maka struktur yang mengandung selulosa mempunyai potensi yang cukup besar untuk dijadikan sebagai adsorben [24]. Kualitas karbon aktif dapat dinilai berdasarkan persyaratan (SNI) 06–3730-1995 pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Standar Karbon Aktif (SNI) 06–3730-1995 [9]
Jenis Persyaratan Parameter
Kadar Air Mak. 15 %
Kadar Abu Mak. 10 %
Kadar Zat Menguap Mak. 25 %
Lignin yang terdiri sekitar 27% konten dari biomassa memiliki kapasitas adsorpsi yang rendah dalam bentuk alami. Tapi potensi sebagai karbon aktif dapat ditingkatkan di bawah kondisi yang tepat [25]. Lignin adalah sebuah mononuklear polimer aromatik yang ditemukan di dinding sel tertentu pada biomassa, terutama jenis kayu, yang berfungsi untuk semen serat selulosa dalam tanaman. Lignin adalah produk limbah yang paling terbukti memiliki potensi yang cukup besar dalam bidang adsorpsi dan persiapan karbon aktif. Bahkan, lignin kaya karbon dan struktur molekul mirip dengan batubara bituminous yang membuatnya menjadi prekursor yang cocok untuk produksi karbon aktif [26].
Beberapa penelitian pembuatan karbon aktif dari bahan lignoselulosa dengan aktivasi kimia dan fisika serta aplikasinya dalam menjerap ion logam berat
Tabel 2.3 Aplikasi karbon aktif dalam penjerapan logam Nama
(Tahun) Prekursor Polutan Aktivasi
Temperatur
penelitian yang dilakukan Sulaiman (2012) kapasitas penjerapan maksimum bagi logam Pb (II) dengan hasil 14.41mg/g, proses yang dilakukan menggunakan karbon aktif dari cangkang buah karet pada pH 2 memberikan hasil yang terbaik [13].
2.2 PIROLISIS
Karbonisasi adalah konversi pirolitik yang dilakukan pada pemanasan lambat imana produk akhir yang diinginkan adalah arang. Konversi pirolitik biomassa lignoselulosa menghasilkan tiga fase yaitu char (arang ), minyak (tar) dan gas. Arang adalah residu karbon dari proses karbonisasi setelah menghapus elemen non-karbon seperti hidrogen dan oksigen dari bahan awal, memiliki struktur berpori dasar yang dapat digunakan untuk karbon aktif. Char memiliki kandungan karbon tetap tinggi yang membuatnya menjadi prekursor cocok untuk pembuatan karbon aktif [25].
Hasil penelitian yang dilakukan oleh Ekebafe, et al, 2012 menunjukkan
bahwa suhu pemanasan mempengaruhi sifat cangkang buah karet, sehingga menunjukkan bahwa karbonisasi memiliki pengaruh signifikan pada karakteristik pengolahan cangkang buah karet [6]. Para peneliti menegaskan bahwa lignin merupakan sumber utama arang, sedangkan selulosa dan hemiselulosa adalah fraksi volatile biomassa. Dekomposisi lignin dimulai pada suhu rendah (160-170 0C) dan proses ini berlanjut pada tahap rendah sampai suhu tinggi 900 0C. Komponen kedua yang mulai terurai adalah hemiselulosa, diikuti oleh selulosa. Dekomposisi dari dua polimer ini berlangsung pada kisaran suhu 200-400 0C. Oleh karena itu, komposisi biomassa lignoselulosa adalah parameter penting dalam pembentukan arang [25].
2.3 AKTIVASI KIMIA DENGAN H3PO4
Asam fosfat karbon aktif menunjukkan kapasitas tukar kation yang luar biasa, yang telah terbukti sangat efektif adsorben untuk menghilangkan ion logam berat konsentrasi rendah dari fase cair, dan kapasitas kimia dan termal ini stabil.
Oleh karena itu, asam fosfat karbon aktif telah banyak digunakan untuk menghilangkan ion logam berat dari fase air [32].
Dalam 20 tahun terakhir, aktivasi bahan lignoselulosa dengan H3PO4 telah menjadi metode paling banyak digunakan untuk pembuatan skala besar karbon aktif karena penggunaan ini reagen memiliki beberapa keunggulan lingkungan seperti biaya energi yang rendah, kemudahan recovery, dan yield karbon yang tinggi. H3PO4 memainkan dua peran selama persiapan pembuatan karbon aktif : i) H3PO4 dapat berfungsi sebagai wadah karena volume yang ditempati oleh asam fosfat di interior dari prekursor diaktifkan bertepatan dengan volume mikropori dari karbon yang diaktifkan; ii) H3PO4 bertindak sebagai katalis asam untuk mempromosikan pembelahan ikatan, hidrolisis, dehidrasi dan kondensasi, disertai dengan silang reaksi antara asam fosfat dan biopolymer [33].
Keuntungan dari aktivasi kimia adalah biaya energi yang rendah, karena biasanya terjadi pada suhu lebih rendah dibandingkan aktivasi fisika, dan tingginya hasil yang didapatkan. Aktivasi kimia dengan H3PO4 telah menjadi yang paling umum untuk mengaktifkan agen karena kemampuannya untuk memberikan porositas dari lebar bahan awal sangat baik, toksikologi bagi lingkungan yang lebih rendah jika dibandingkan dengan ZnCl2 dan temperatur kerja rendah dibandingkan dengan aktivasi KOH [34]. Berikut adalah beberapa keuntungan aktivasi kimia [33]:
a) Karbon aktif yang diperoleh hanya dalam satu langkah percobaan b) Waktu aktivasi singkat
c) Suhu pirolisis rendah (600 sampai 800 ºC) d) Kontrol yang lebih baik dari sifat tekstural e) Hasil (Yield) tinggi
f) Luas permukaan tinggi dari microporosit karbon aktif
Isoterm adsorpsi adalah hubungan yang menunjukkan distribusi adsorben antara fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat kesetimbangan pada temperatur tertentu. Ada tiga pola isoterm adsorpsi, yaitu isoterm adsorpsi Freundlich, Langmuir, dan BET (Brunauer, Emmet dan Teller). Akan tetapi, karena adsorpsi fase padat cair dimana molekul atau ion pada permukaan padatan umumnya terbatas pada lapisan satu molekul (monolayer) maka adsorpsi tersebut mengikuti persamaan adsorpsi Freundlich dan atau Langmuir [35].
2.4.1. Isoterm Freundlich
Pendekatan isoterm adsorpsi dijelaskan oleh Freundlich. Menurut Freundlich, q adalah berat zat terlarut per gram adsorben dan c adalah konsentrasi zat terlarut dalam larutan. Dari konsep tersebut dapat diturunkan persamaan sebagai berikut:
Persamaan diatas disusun menjadi persamaan garis lurus sebagai berikut :
Dengan memplot log q vs log C didapat persamaan garis lurus dimana slope garis tersebut adalah 1/n dengan interceptnya adalah log k [36].
2.4.2. Isoterm Langmuir
Model ini mendefinisikan bahwa kapasitas adsorpsi maksimum terjadi akibat adanya lapisan tunggal (monolayer) adsorbat di permukaan adsorben. Pendekatan Langmuir meliputi lima asumsi mutlak, yaitu:
1. Molekul yang teradsorpsi berkelakuan ideal
2. Molekul yang teradsorpsi dibatasi sampai lapisan monolayer.
3. Permukaan adsorbat homogen, artinya afinitas setiap kedudukan ikatan untuk molekul sama.
4. Tidak ada antaraksi lateral antar molekul adsorbat.
5. Molekul yang teradsorpsi terlokalisasi, artinya mereka tidak bergerak pada permukaan.
(2.1)
Dimana persamaan Langmuir ditulis sebagai berikut:
Persamaan diatas disusun menjadi persamaan garis lurus: [ ]
Dengan memplot 1/q vs 1/C didapat persamaan garis lurus dimana slope garis tersebut adalah dengan interceptnya adalah [36].
2.5 PENCEMARAN LINGKUNGAN
Cukup banyak golongan logam yang sama sekali belum diketahui manfaatnya bagi organisme perairan, seperti Hg, Cd, dan Pb. Timbal adalah jenis logam lunak berwarna coklat kehitaman dan mudah dimurnikan memiliki nomor atom (NA) 82 dengan berat atom (BA) 207,2. Kebanyakan logam toksik seperti logam Pb lebih tersebar luas dibanding kebanyakan logam toksik. Peningkatan kadar Pb di lingkungan disebabkan meningkatnya penggunaan logam ini di dalam pertambangan, logam ini berbentuk sulfida logam (PbS). Logam Pb banyak digunakan dalam industri misalnya sebagai zat tambahan bahan bakar dan juga pigmen timbal dalam cat [1]. Limbah ini akan menyebabkan pencemaran serius terhadap lingkungan jika kandungan logam berat yang terdapat di dalamnya melebihi ambang batas dan akan menyebabkan penyakit serius bagi manusia apabila terakumulasi di dalam tubuh. Timbal (Pb) merupakan salah satu pencemar yang dipermasalahkan karena bersifat sangat toksik dan tergolong sebagai bahan buangan beracun dan berbahaya [35].
Timbal adalah logam yang merusak saraf makhluk hidup dan merupakan satu dari tiga logam berbahaya lainnya yaitu (Cd dan Hg) menyebabkan meningkatnya risiko kesehatan pada manusia dan hewan karena pencemaran air oleh logam berat karena toksisitas yang berbahaya dan potensi bahaya besar untuk lingkungan dan organisme [2]. Limbah Pb ini dapat berasal dari aktivitas manusia yang berasal dari pembuangan sampah kapal-kapal, penambangan logam di laut dan lain-lain dan yang berasal dari darat seperti limbah perindustrian.
Kadar normal dan maksimum logam berat yang masuk ke lingkungan laut dapat dilihat pada Tabel 2.3
(2.3)
Tabel 2.4 Kadar normal dan maksimum logam berat yang masuk ke lingkungan laut
Unsur Kadar (ppm)
Normal (A) Maksimum (B)
Kadmium 0,00011 0,01
Timbal 0,00003 0,01
Tembaga 0,002 -
